超聲波傳感器

接近(jiējìn)開關(guān)東華大學(xué)機(jī)械(jīxiè)工程學(xué)院周虎第一頁，共76頁。波動(dòng)（簡(jiǎn)稱波）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波：其頻率(pínlǜ)在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波：低于16Hz的機(jī)械波超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波微波：頻率(pínlǜ)在3×108~3×1011Hz之間的波超聲波及其物理性質(zhì)(wùlǐxìngzhì)第二頁，共76頁。聲波(shēnɡbō)的頻率界限圖第三頁，共76頁。超聲波的波型

縱波-——質(zhì)點(diǎn)(zhìdiǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播；橫波——質(zhì)點(diǎn)(zhìdiǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播；表面波——質(zhì)點(diǎn)(zhìdiǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)(zhìdiǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形（其長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑?。第四頁，?6頁。超聲波的傳播速度

縱波、橫波及表面波的傳播(chuánbō)速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播(chuánbō)縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在900～1900m/s。超聲波在空氣(kōngqì)中的傳播速度V0=331.5+0.61T(T為環(huán)境溫度)第五頁，共76頁。超聲波傳感器是通過發(fā)生高頻聲波，然后測(cè)量聲波從發(fā)生器發(fā)出、至目標(biāo)物體再反射(fǎnshè)回來所需要的時(shí)間，來進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)的。也可稱為“傳播時(shí)間”超聲波傳感器第六頁，共76頁。1. 傳感器變送器發(fā)射高頻聲波(175KHZ到215KHZ)目標(biāo)物體(wùtǐ)將聲波反射回來標(biāo)送器接收到反射回來的信號(hào)4. 測(cè)量傳播時(shí)間5. 將空氣溫度取樣Temperatureofairissampled6. 計(jì)算距離超聲波傳感器的操作(cāozuò)功能第七頁，共76頁。單位時(shí)間通過的波的個(gè)數(shù)，多普勒效應(yīng)(xiàoyìng)當(dāng)波源S和接收器R有相對(duì)運(yùn)動(dòng)(xiānɡduìyùndònɡ)時(shí),接收器所測(cè)得的頻率不等于波源振動(dòng)頻率的現(xiàn)象。參考系:媒質(zhì)(méizhì)

波源和接收器都靜止

(VS=0,VR=0)波一發(fā)出就會(huì)脫離波源運(yùn)動(dòng)。波速與波源和接收器無關(guān)。即為收到的頻率每隔一周期畫一波面，間隔為，R··S

波源振動(dòng)頻率第八頁，共76頁。超聲波的反射(fǎnshè)和折射圖13.2超聲波的反射(fǎnshè)和折射第九頁，共76頁。超聲波的吸收(xīshōu)與衰減聲衰減定義：是指聲能隨著(suízhe)傳播距離而減弱的現(xiàn)象衰減量=頻率×深度頻率高，衰減重原因：吸收損耗、聲束擴(kuò)散、反射和折射第十頁，共76頁。超聲波的衰減(shuāijiǎn)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律(guīlǜ)滿足以下函數(shù)關(guān)系：式中:

、

——聲波在距聲源(shēnɡyuán)x處的聲壓和聲強(qiáng)；、

——聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)；

——聲波與聲源間的距離；

——衰減系數(shù)。

第十一頁，共76頁。超聲波傳感器的工作(gōngzuò)原理壓電式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器第十二頁，共76頁。壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于(děngyú)壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時(shí)引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。第十三頁，共76頁。磁致伸縮式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來工作的。磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化(biànhuà)即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時(shí)，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(chǎng)（即導(dǎo)磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。第十四頁，共76頁。超聲波*超聲波：頻率高，波長(zhǎng)短，定向傳播性好；穿透性好，在液體(yètǐ)、固體中傳播時(shí)，衰減很小，能量高等。定位、測(cè)距、探傷、顯象，隨著激光全息的發(fā)展聲全息也日益發(fā)展，它在地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域(lǐnɡyù)有重要的意義；由于能量(néngliàng)大而集中可用來切削、焊接，鉆孔，清洗機(jī)件還可用來處理種子和催化。特點(diǎn)用途超聲波的傳播速度對(duì)于介質(zhì)的密度、濃度、成分、溫度、壓力的變化很敏感。利用這些可間接測(cè)量其他有關(guān)物理量。這種非聲量的聲測(cè)法具有測(cè)量精密度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)；第十五頁，共76頁。超聲波的分辨力與穿透力頻率高，分辨好，穿透差頻率低，分辨低，穿透強(qiáng)對(duì)應(yīng)(duìyìng)的臨床應(yīng)用：檢測(cè)淺表器官，采用高頻探頭檢測(cè)深部臟器，采用低頻探頭第十六頁，共76頁。探頭(tàntóu)頻率越高，分辨力越高。頻率(pínlǜ)與穿透性(penetrability)呈反比?？v向(zònɡxiànɡ)分辨力(longitudinalresolution)第十七頁，共76頁。超聲波傳感器的應(yīng)用(yìngyòng)超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)流量(liúliàng)超聲波探傷第十八頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例第十九頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第二十頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤(cuòwù)檢測(cè)第二十一頁，共76頁。超聲波測(cè)厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速(shēnɡsù)常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度：第二十二頁，共76頁。厚度(hòudù)測(cè)量第二十三頁，共76頁。疊放高度(gāodù)測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第二十四頁，共76頁。手持式超聲波測(cè)厚儀第二十五頁，共76頁。某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)（參考北京北方大河(dàhé)儀器儀表有限公司資料）顯示方法(fāngfǎ)∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C~40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）第二十六頁，共76頁。超聲波測(cè)厚石料(shíliào)測(cè)厚第二十七頁，共76頁。超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材(mùcái)測(cè)厚小提琴木料(mùliào)測(cè)厚第二十八頁，共76頁。雙晶超聲波測(cè)厚探頭(tàntóu)第二十九頁，共76頁。雙晶超聲波測(cè)厚探頭(tàntóu)（續(xù)）第三十頁，共76頁。超聲波測(cè)物位(d)

(c)

(b)

(a)

幾種(jǐzhǒnɡ)超聲波檢測(cè)物位工作原理第三十一頁，共76頁。液位測(cè)量(cèliáng)第三十二頁，共76頁。超聲波測(cè)量(cèliáng)液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)(gēnjù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。第三十三頁，共76頁。高度(gāodù)的分選和移動(dòng)第三十四頁，共76頁。超聲波測(cè)距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速(shēnɡsù)（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。第三十五頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）物件放置錯(cuò)誤(cuòwù)檢測(cè)第三十六頁，共76頁。超聲波測(cè)流量(liúliàng)超聲波測(cè)量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同(bùtónɡ)的特點(diǎn)，從而求得流體的流速和流量。時(shí)差法測(cè)流量相位差法測(cè)流量頻率差法測(cè)流量超聲波測(cè)流體流量工作(gōngzuò)原理第三十七頁，共76頁。超聲波流量計(jì)

F1發(fā)射(fāshè)的超聲波先到達(dá)T1第三十八頁，共76頁。頻率差法測(cè)量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路(diànlù)，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差f與被測(cè)流速v成正比。F2F1第三十九頁，共76頁。發(fā)射、接收探頭(tàntóu)也可以安裝在管道的同一側(cè)第四十頁，共76頁。同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用(shǐyòng)（參考北京(běijīnɡ)菲波儀表有限公司資料）第四十一頁，共76頁。超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)(xiànchǎng)使用第四十二頁，共76頁。超聲波探傷(tànshāng)穿透法探傷：穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。反射法探傷：反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為(fēnwéi)一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。第四十三頁，共76頁。穿透(chuāntòu)法探傷優(yōu)點(diǎn)：指示簡(jiǎn)單，適用于自動(dòng)探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測(cè)薄板。缺點(diǎn)：探測(cè)靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷(quēxiàn)；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷(quēxiàn)，但不能定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)位置要求較高。第四十四頁，共76頁。一次脈沖(màichōng)反射法一次脈沖反射(fǎnshè)法探傷原理第四十五頁，共76頁。多次脈沖(màichōng)反射法多次脈沖反射(fǎnshè)法探傷原理第四十六頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）透明(tòumíng)塑料張力控制第四十七頁，共76頁。機(jī)械手定位(dìngwèi)超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第四十八頁，共76頁。紙卷直徑(zhíjìng)檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第四十九頁，共76頁。平整度測(cè)量(cèliáng)超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第五十頁，共76頁。流水線計(jì)數(shù)(jìshù)超聲波傳感器

應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第五十一頁，共76頁。超聲波多普勒測(cè)量(cèliáng)車速第五十二頁，共76頁。多普勒效應(yīng)(xiàoyìng)前進(jìn)方向的頻率(pínlǜ)升高如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象(xiànxiàng)叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。第五十三頁，共76頁。超聲波多普勒測(cè)量(cèliáng)風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起(yǐnqǐ)超聲波的頻率變大或變小第五十四頁，共76頁。目標(biāo)(mùbiāo)表面粗糙的目標(biāo)表面會(huì)對(duì)聲波有散射作用如目標(biāo)物體是柔軟或海面狀的，反射(fǎnshè)信號(hào)是最小值。33cm3cm3操作(cāozuò)應(yīng)考慮因素第五十五頁，共76頁。目標(biāo)(mùbiāo)大小小型目標(biāo)物體只能(zhīnénɡ)反射部分聲波31cm13cm操作應(yīng)考慮(kǎolǜ)因素第五十六頁，共76頁。溫度(wēndù)作用冷低溫環(huán)境會(huì)降低聲波(shēnɡbō)的傳播速度高溫環(huán)境會(huì)提高聲波(shēnɡbō)的傳播速度3cm3cm3cm3cm熱環(huán)境考慮(kǎolǜ)因素第五十七頁，共76頁。接近(jiējìn)開關(guān)簡(jiǎn)介接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作(dòngzuò)”信號(hào)。接近(jiējìn)開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)正在接近(jiējìn)的物體有很高的感辨能力。第五十八頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)外形第五十九頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)外形第六十頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)外形（續(xù)）第六十一頁，共76頁。一、常用的接近(jiējìn)開關(guān)分類常用的接近(jiējìn)開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近(jiējìn)開關(guān)，以下僅以電感接近(jiējìn)開關(guān)稱呼之）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。第六十二頁，共76頁。二、接近(jiējìn)開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)與被測(cè)物不接觸、不會(huì)(bùhuì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號(hào)負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便；缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀。第六十三頁，共76頁。三.接近開關(guān)(kāiguān)的主要性能指標(biāo)：額定(édìng)動(dòng)作距離、工作距離、動(dòng)作滯差、重復(fù)定位精度（重復(fù)性）、動(dòng)作頻率等。第六十四頁，共76頁。四、電渦流接近開關(guān)(kāiguān)（電感接近開關(guān)(kāiguān)）的工作原理電渦流式接近開關(guān)俗稱電感接近開關(guān)，屬于(shǔyú)一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)的振蕩感辨頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。第六十五頁，共76頁。五、電渦流接近(jiējìn)開關(guān)原理框圖第六十六頁，共76頁。FT39FJ12FFT17FT19FT37霍爾開關(guān)(kāiguān)家族第六十七頁，共76頁?；魻栭_關(guān)(kāiguān)優(yōu)點(diǎn)霍爾開關(guān)具有無觸電、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)。內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關(guān)可應(yīng)用于接近(jiējìn)開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等，作為一種新型的電器配件。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體(dǎotǐ)時(shí)，在導(dǎo)體(dǎotǐ)的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。第六十八頁，共76頁。六、接近(jiējìn)開關(guān)的術(shù)語解釋（1）1.動(dòng)作（檢測(cè)）距離:動(dòng)作距離是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置（接近開關(guān)(kāiguān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)(kāiguān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離是指接近開關(guān)(kāiguān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。2.復(fù)位距離：接近開關(guān)(kāiguān)動(dòng)作后，又再次復(fù)位時(shí)的與被測(cè)物的距離，它略大于動(dòng)作距離。3.回差值:動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值?；夭钪翟酱?，對(duì)外界的干擾以及被測(cè)物的抖動(dòng)等的抗干擾能力就越強(qiáng)。第六十九頁，共76頁。接近開關(guān)的檢測(cè)(jiǎncè)距離與回差第七十頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)的術(shù)語解釋（2）標(biāo)準(zhǔn)