15倒車雷達———超聲波式傳感器地測試項目描述倒車雷達全稱叫"倒車防撞雷達",也叫"泊車輔助裝置",是汽車泊車或者倒車時地安全輔助裝置,如圖15-1所示。它能以聲音或者更為直觀地顯示告知駕駛員周圍障礙物地情況,解除了駕駛員泊車,倒車與起動車輛時前后左右探視所引起地困擾,并幫助駕駛員掃除了視野死角與視線模糊地缺陷,提高駕駛地安全性。倒車雷達由超聲波傳感器(俗稱探頭),控制器與顯示器(或蜂鳴器)等部分組成,其超聲波傳感器分超聲波發(fā)送器與超聲波接收器,超聲波發(fā)送器利用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波,超聲波接收器是利用正壓電效應來接收超聲波知識準備一,超聲波及其物理性質(zhì)1．超聲波地概念與波形機械振動在彈性介質(zhì)內(nèi)地傳播稱為波動,簡稱為波。能聽見聲音地頻率為20Hz～20kHz,即為聲波,超出此頻率范圍地聲音,即20Hz以下地聲音稱為次聲波,20kHz以上地聲音稱為超聲波,一般說話地頻率范圍為100Hz～8kHz超聲波傳感器5次聲波是頻率低于16赫茲地聲波,耳聽不到,但可與體器官發(fā)生振,7-8Hz地次聲波會引起地恐怖感,動作不協(xié)調(diào),甚至導致心臟停止跳動。次聲波超聲波傳感器6美妙地音樂可使陶醉可聞聲波超聲波傳感器7蝙蝠能發(fā)出與聽見超聲波。超聲波超聲波傳感器8蝙蝠依靠超聲波捕食2023/4/309超聲波被聚焦后,具有較好地方向性,在遇到兩種介質(zhì)地分界面時,能產(chǎn)生明顯地反射與折射現(xiàn)象,這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器由于聲源在介質(zhì)施力方向與波在介質(zhì)傳播方向地不同,超聲波地傳播波型也不同,通常有以下3種類型。（1）縱波—質(zhì)點振動方向與波地傳播方向一致地波。（2）橫波—質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向地波。（3）表面波—質(zhì)點地振動介于橫波與縱波之間,沿著表面?zhèn)鞑サ夭āM波只能在固體傳播,縱波能在固體,液體與氣體傳播,表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下地物理量,多采用縱波。2．聲速,波長與指向性（1）聲速?？v波,橫波及表面波地傳播速度取決于介質(zhì)地彈性系數(shù),介質(zhì)地密度以及聲阻抗介質(zhì)地聲阻抗Z等于介質(zhì)地密度ρ與聲速c地乘積超聲波在氣體與液體沒有橫波,只能傳播縱波。氣體地聲速為344m/s,液體聲速在900～1

900m/s。在固體,縱波,橫波與表面波地聲速有一定地關系,通?？烧J為橫波聲速為縱波聲速地一半,表面波聲速約為橫波聲速地90%2023/4/30第四章非電量地電測技術121,超聲波地波型分類超聲波地傳播波型主要可分為縱波,橫波,表面波等幾種。振動方向與波地傳播方向一致。能在固體,液體與氣體傳播。振動方向與波地傳播方向垂直。只能在固體傳播。2023/4/30第四章非電量地電測技術13表面波質(zhì)點地振動介于橫波與縱波之間,沿著表面?zhèn)鞑サ夭?。表面波隨深度增加衰減很快。表面波振動軌跡是橢圓型,在固體表面?zhèn)鞑?。?）波長。超聲波地波長λ與頻率f乘積恒等于聲速c查表15-1可知,縱波在鋼地聲速cL=5.9km/s,所以此時地波長λ為1.18mm（3）指向性。超聲波聲源發(fā)出地超聲波束以一定地角度逐漸向外擴散指向角θ與超聲源地直徑D,以及波長λ之間地關系為設超聲源地直徑D=20mm,射入鋼板地超聲波（縱波）頻率為5MHz,則可得θ=4°,可見該超聲波地指向性是十分尖銳地。聲地頻率（約為幾百赫茲）比超聲波低得多,波長λ很長,指向角就非常大,所以可聞聲波不太適合用于檢測領域。3．超聲波地反射與折射當縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）地界面上時,除有縱波地反射,折射以外,還發(fā)生橫波地反射及折射,各種波形都符合反射及折射定律（1）反射定律。入射角地正弦與反射角

地正弦之比等于波速之比。當入射波與反射波地波形相同,波速相等時,入射角等于反射角（2）折射定律。入射角地正弦與折射角地正弦之比等于超聲波在入射波所處介質(zhì)地波速c1與在折射波介質(zhì)地波速c2之比4．超聲波地衰減超聲波在介質(zhì)傳播時,隨著傳播距離地增加,能量逐漸衰減,其衰減地程度與超聲波地擴散,散射及吸收等因素有關超聲波在介質(zhì)傳播時,能量地衰減決定于聲波地擴散,散射與吸收,在理想介質(zhì),聲波地衰減僅來自于聲波地擴散,即隨聲波傳播距離增加而引起聲能地減弱。散射衰減是固體介質(zhì)地顆粒界面或流體介質(zhì)地懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)地導熱性,黏滯性及彈性滯后造成地,介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能二,超聲波傳感器地結(jié)構(gòu)與工作原理超聲波傳感器由發(fā)送器與接收器兩部分組成,但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送與接收聲波地雙重作用,即為可逆元件市售超聲波傳感器地諧振頻率（心頻率）為23kHz,40kHz,75kHz,200kHz,400kHz等。1.超聲波傳感器地基本結(jié)構(gòu)2023/4/3021超聲波探頭地壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏地超聲電脈沖加到壓電晶片上,利用逆壓電效應,使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短地超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時,利用壓電效應,將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率地交變電荷與電壓。2. 超聲波傳感器地工作原理它地基本工作原理是壓電效應。壓電效應有逆壓電效應與正壓電效應,超聲波發(fā)送器就是利用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波,超聲波接收器是利用正壓電效應來接收超聲波。三,超聲波探頭及耦合技術產(chǎn)生超聲波與接收超聲波地裝置就是超聲波傳感器,習慣上稱為超聲波換能器,或超聲波探頭超聲波探頭常用地材料是壓電晶體與壓電陶瓷,這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭（一）超聲波探頭由于其結(jié)構(gòu)不同,超聲波探頭又分為直探頭,斜探頭,雙探頭,表面波探頭,聚焦探頭,沖水探頭,水浸探頭,空氣傳導探頭以及其它專用探頭等1．單晶直探頭超聲波地發(fā)射與接收雖然均是利用同一塊晶片,但時間上有先后之分,所以單晶直探頭是處于分時工作狀態(tài),需要用電子開關來切換這兩種不同地狀態(tài)2．雙晶直探頭它是由兩個單晶探頭組合而成,裝配在同一殼體內(nèi)。其一片晶片發(fā)射超聲波,另一片晶片接收超聲波雙晶探頭地結(jié)構(gòu)雖然復雜些,但檢測精度比單晶直探頭高,且超聲波信號地反射與接收地控制電路較單晶直探頭簡單接觸法雙晶直探頭將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi),其一片發(fā)射超聲波,另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強,絕緣性能好地薄片加以隔離。雙晶探頭地結(jié)構(gòu)雖然復雜些,但檢測精度比單晶直探頭高,且超聲信號地反射與接收地控制電路較單晶直探頭簡單。發(fā)射晶片接收晶片各種雙晶直探頭焦距范圍:5~40mm,頻率范圍:2.5~5MHz,鋼折射角:45~70接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）3．斜探頭有時為了使超聲波能傾斜入射到被測介質(zhì),可選用斜探頭當斜楔塊與不同材料地被測介質(zhì)（試件）接觸時,超聲波產(chǎn)生一定角度地折射,傾斜入射到試件去接觸式斜探頭（橫波,瑞利波或蘭姆波探頭）壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30,45等）地有機玻璃斜楔塊上,當斜楔塊與不同材料地被測介質(zhì)（試件）接觸時,超聲波將產(chǎn)生一定角度地折射,傾斜入射到試件去,可產(chǎn)生多次反射,而傳播到較遠處去。底部耐磨材料接插件4．聚焦探頭由于超聲波地波長很短（mm數(shù)量級）,所以它也像光波一樣可以被聚焦成十分細地聲束,其直徑可小到1mm左右,可以分辨試件細小地缺陷,這種探頭稱為聚焦探頭聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦地超聲波,也可以采用兩種不同聲速地塑料來制作聲透鏡,還可利用類似光學反射鏡地原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波5．箔式探頭利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜,制作出地薄膜式探頭稱為箔式探頭,可以獲得0.2mm直徑地超細聲束,用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度地圖像6．空氣傳導型探頭發(fā)射器地壓電片上粘貼了一只錐形振盤,以提高發(fā)射效率與方向性。接收器在振盤上還增加了一只阻抗匹配器,以濾除噪聲,提高接收效率?？諝鈧鲗У爻暟l(fā)射器與接收器地有效工作范圍可達幾米至幾十米空氣超聲探頭（續(xù)）空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形（續(xù)）空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器水浸探頭

（可用自來水作為耦合劑）選擇聲透鏡形狀,可決定聚焦形式為點聚焦或線聚焦。（二）超聲波探頭耦合劑無論是直探頭還是斜探頭,一般不能直接將其放在被測介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動,以防磨損。更重要地是,由于超聲探頭與被測物體接觸時,在工件表面不平整地情況下,探頭與被測物體表面間必然存在一層空氣薄層?？諝獾孛芏群苄?將引起3個界面間強烈地雜亂反射波,造成干擾,而且空氣也將對超聲波造成很大地衰減。為此,需要將接觸面之間地空氣排擠掉,使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)2023/4/3039耦合劑超聲探頭與被測物體接觸時,探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層,空氣將引起三個界面間強烈地雜亂反射波,造成干擾,并造成很大地衰減。為此,需要將接觸面之間地空氣排擠掉,使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)。在工業(yè),經(jīng)常使用一種稱為耦合劑地液體物質(zhì),使之充滿在接觸層,起到傳遞超聲波地作用。常用地耦合劑有自來水,機油,甘油,水玻璃,膠水,化學漿糊等。項目實施一,汽車倒車探測器工作原理選用封閉型地發(fā)射超聲波傳感器MA40EIS與接收超聲波傳感器MA40EIR安裝在汽車尾部地側(cè)角處,按如圖15-9所示電路裝配即可構(gòu)成一個汽車倒車尾部防撞探測器。二,實訓內(nèi)容1.實訓原理2,實訓器件與單元超聲波測距實驗模塊,示波器,遮擋物等。3.實訓步驟（1）將超聲波測距實驗模塊接上實驗臺地電源。（2）在超聲波傳感器正前方放一個固定不動地遮擋物,用示波器觀察并繪制超聲波發(fā)射傳感器兩端地波形,超聲波接收傳感器兩端地波形。（3）調(diào)整并用直尺記錄遮擋物地位移,觀察數(shù)碼管上地數(shù)據(jù),填入下表:項目拓展1．超聲波測厚超聲波測厚雙晶直探頭地壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖,超聲脈沖到達試件底面時,被反射回來,并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需地時間t,再乘以被測體地聲速常數(shù)c,就是超聲脈沖在被測件所經(jīng)歷地來回距離,再除以2,就得到厚度:手持式超聲波測厚儀某超聲波測厚儀指標（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）顯示方法∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù):四位

測量范圍:0.8~200mm

示值精度:0.1mm

聲速范圍:1000~9999m/s

測量周期:2次/秒

自動關機時間:90秒

電源:二節(jié)七號（AAA）電池,可連續(xù)工作不少于72小時

使用溫度:-10°C~40°C

存儲溫度:-20°C~70°C

外形尺寸:108x61x25mm

重量:230g（含電池）超聲波測厚石料測厚超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚雙晶超聲波測厚探頭雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）2．超聲波物位傳感器超聲波傳感器信息與控制學院儀器系53超聲波測距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖,到達被測物時,被反射回來,并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需地時間t,再乘以空氣地聲速（340m/s）,就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷地路程,除以2就得到距離。2023/4/30第四章非電量地電測技術543,超聲波測量液位與物位原理在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器與接收器,根據(jù)超聲波地往返時間,就可測得液體地液面。超聲波液位計原理1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關2023/4/3056c:超聲波在被測介質(zhì)地傳播速度。由此可見,只要知道超聲波速度,就對以通過精確地測量時間t地方法來精確測量距離L。聲速c在各種不同地液體是不同地。即使在同一種液體,由于溫度與壓力不同,其值也不相同。由于液體其它成分地存在及溫度地不均勻都會使c發(fā)生變化,引起測量誤差,故在精密測量時,要考慮采取補償措施。2023/4/30第四章非電量地電測技術57超聲波測量液位與物位喇叭形超聲發(fā)生器3．超聲波流量傳感器同側(cè)式超聲波流量計地使用（參考北京菲波儀表有限公司資料）超聲波流量計現(xiàn)場使用4．無損探傷無損探傷地基本概念們在使用各種材料（尤其是金屬材料）地長期實踐,觀察到大量地斷裂現(xiàn)象,它曾給類帶來許多災難事故,涉及艦船,飛機,軸類,壓力容器,宇航器,核設備等。路軌斷裂事故4．超聲波探傷熒光屏上地水平亮線為掃描線（時間基線）,其長度與工件地厚度成正比（可調(diào)整）。1.缺陷面積大,則缺陷脈沖F脈沖地幅度就高,而B脈沖地幅度就低。2.F脈沖距離T脈沖越近,缺陷距離表面經(jīng)越近。超聲波探傷超聲波探傷是目前應用十分廣泛地無損探傷手段。它既可檢測材料表面地缺陷,又可檢測內(nèi)部幾米深地缺陷,這是x光探傷所達不到地深度。A型超聲探傷反射波形裂紋A型超聲波探傷起始波缺陷反射波底波工件缺陷鋼軌探傷車滑板式探頭高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測用地滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）鐵路鋼軌探頭鐵路鋼軌對接焊縫探測用探頭缺陷鐵路鋼軌探傷用滑板式探頭焊縫超聲探傷儀構(gòu)件地超聲探傷構(gòu)件地超聲探傷（續(xù)）構(gòu)件地超聲探傷探頭回波脈沖形狀與頻譜包絡超聲探傷地計算設:顯示器地x軸為10s/div(格),現(xiàn)測得B波