傳感器原理及應(yīng)用

gongguoyou第十章超聲波傳感器一、超聲波及其物理性質(zhì)波動(dòng)（簡(jiǎn)稱波）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播。聲波：其頻率在20~20KHz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波.次聲波：低于20Hz的機(jī)械波超聲波：高于20KHz的機(jī)械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波1、超聲波的基本概念圖5.72聲波頻率的界化分示意圖

2、超聲波的特點(diǎn):指向性好,能量大,固體的穿越本領(lǐng)大,在遇到介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí),能產(chǎn)生發(fā)射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象.3、超聲波傳感器應(yīng)用舉例

主要用于超聲波無(wú)損探傷、厚度測(cè)量、流量測(cè)量、超聲顯微鏡及超聲成像。3、超聲波傳感器應(yīng)用舉例質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè)疊放高度測(cè)量3、超聲波傳感器應(yīng)用舉例物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)3、超聲波傳感器應(yīng)用舉例紙卷直徑檢測(cè)3、超聲波傳感器應(yīng)用舉例流水線計(jì)數(shù)3、超聲波傳感器應(yīng)用舉例

4、超聲波的物理性質(zhì)

超聲波的波型超聲波的的聲速、波長(zhǎng)和指向性超聲波的反射和折射超聲波的衰減超聲波的波型：

縱波-——質(zhì)點(diǎn)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)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)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。測(cè)量時(shí)多采用縱波振動(dòng)方向和波的傳播方向一致。能在固體、液體和氣體中傳播。振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直。只能在固體中傳播。表面波振動(dòng)軌跡是橢圓型，在固體表面?zhèn)鞑ァ?/p>

超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；

Bn——絕對(duì)壓縮系數(shù)。上述的ρ、Bn都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。超聲波的聲速、波長(zhǎng)和指向性：超聲波的聲速、波長(zhǎng)和指向性：

縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)、介質(zhì)密度及聲阻抗。

氣體和液體中只能傳播縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在900～1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90％。

(1)聲速常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0℃）材料密度聲阻抗縱波聲速橫波聲速鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92－水（20C）1.01.481.48－油0.91.281.4－空氣0.00130.00040.34－超聲波的聲速、波長(zhǎng)和指向性：

超聲波的波長(zhǎng)λ和頻率f的乘積恒等于聲速c(2)波長(zhǎng)超聲波的聲速、波長(zhǎng)和指向性：

超聲波聲源發(fā)出的超聲波速以一定角度逐漸向外擴(kuò)散.指向角θ與超聲波直徑D以及波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為:(3)指向性例題：

設(shè)超聲源的直徑D=20mm,射入鋼板的超聲波頻率為5MHZ,求指向角?？梢?jiàn):超聲波波源的指向性是十分尖銳的.超聲波的反射和折射

超聲波的反射和折射

超聲波的各種波型都符合發(fā)射和折射定律。

當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí)，除有縱波的反射和折射外，還發(fā)生橫波的反射和折射。某種情況下，還能產(chǎn)生表面波。

由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí)，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即超聲波的反射和折射

超聲波的衰減：

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)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：式中:

、

——聲波在距聲源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)。

超聲波傳感器習(xí)慣上稱超聲波換能器，或超聲波探頭。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、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器。專用型：發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波。兼用型：發(fā)送接受為同一部件。二、超聲波探頭及耦合技術(shù)1、超聲波探頭2、超聲波探頭工作原理：超聲波探頭的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式。檢測(cè)中常采用壓電式。工作原理：逆壓電效應(yīng)將高頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，作發(fā)射探頭。利用壓電效應(yīng)將接收到的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，作為接收探頭。

超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用：降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒(méi)有阻尼塊，當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí)，晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩，加長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

（1）超聲波發(fā)生器原理電致伸縮效應(yīng)：

在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)，而產(chǎn)生超聲波，如圖所示。壓電材料的固有頻率：當(dāng)外加交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振，這時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)?！舱駢弘娦?yīng)換能器可以產(chǎn)生幾十千赫茲到幾十兆赫茲的高頻超聲波。（2）超聲波接收器原理壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。它的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)換能器兼做發(fā)生器和接收器兩種用途。壓電晶體超聲波各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見(jiàn)晶片直徑：5~30mm（１）、單晶直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護(hù)膜接插件單晶直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波，提高分辨率防止壓電晶片磨損工件單晶直探頭的發(fā)射和接受處于分時(shí)工作，用電子開關(guān)來(lái)切換。（2）、接觸法雙晶直探頭

將兩個(gè)單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(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(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)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，鋼中折射角：45

~70

（3）、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）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz（4）、聚焦探頭

由于超聲波的波長(zhǎng)很短（毫米數(shù)量級(jí)），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細(xì)的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來(lái)發(fā)出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來(lái)制作聲透鏡；也可以利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來(lái)聚焦超聲波。水浸探頭（可用自來(lái)水作為耦合劑）

選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點(diǎn)聚焦或線聚焦。超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片（3）耦合劑

超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來(lái)水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。

三、超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)流量超聲波探傷

1、超聲波測(cè)厚(P196～197)脈沖回波法檢測(cè)厚度方框圖脈沖回波法優(yōu)點(diǎn):量程大,無(wú)損,便鞋;缺點(diǎn):測(cè)量精度與材料的材質(zhì)有關(guān)對(duì)于聲衰很大的材料以及表面凹凸不平或形狀很不規(guī)則的零件，測(cè)厚比較困難。手持式超聲波測(cè)厚儀2、超聲波測(cè)物位(d)

(c)

(b)

(a)

幾種超聲波檢測(cè)物位的結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于單換能器(ac)來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為則式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。

對(duì)于如圖(bd)雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為2s，而

因此液位高度為式中：s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。

從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的物位。

超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為±0.1%，檢測(cè)物位的范圍為10-2~104m。

超聲波液位計(jì)原理圖1－液面2－直管3－空氣超聲探頭4－反射小板5－電子開關(guān)例：

超聲波液位計(jì)原理如圖所示，從顯示屏上測(cè)得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底與超聲探頭的間距為10m，反射小板與探頭的間距為0.34m，求液位h。解由于

所以有

=（5.6

0.34/2）m=0.95m

所以液位h為:h=h2-h1=（10-0.95）m=9.05mt0=2ms，th1=5.6ms水底與超聲探頭的間距為10m，反射小板與探頭的間距為0.34m

由于空氣中的聲速隨溫度改變會(huì)造成溫漂，所以在傳送路徑中還設(shè)置了一個(gè)反射性良好的小板作標(biāo)準(zhǔn)參照物，以便計(jì)算修正。上述方法除了可以測(cè)量液位外，也可以測(cè)量粉體和粒狀體的物位。3、超聲波測(cè)流量

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的特點(diǎn)，從而求得流體的流速和流量。

超聲波測(cè)流體流量工作原理

超聲波傳輸時(shí)間差法3、超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽(tīng)聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時(shí)間差法。

超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。

如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L(zhǎng),如下圖所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，則順流逆流

一般來(lái)說(shuō)，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時(shí)間差為由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即

超聲波傳感器安裝位置下圖超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：順流逆流F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)T1實(shí)際安裝位置：測(cè)量流量原理時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差

t，可得到流體的平均速度及流量。在t1、t2時(shí)間內(nèi)，分別對(duì)頻率為f0的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，記得脈沖數(shù)為N1、N2：超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用4、超聲波探傷穿透法探傷：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(lái)判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。它用兩探頭分別放置在被測(cè)工件兩側(cè)，一個(gè)發(fā)射超聲波，另一個(gè)接收超聲波。當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，則會(huì)有部分能量被反射，接收到的能量減??；而無(wú)缺陷時(shí)，接收能量最大。根據(jù)接收能量的大小即可判斷工件內(nèi)部是否存在缺損。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(lái)探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。穿透法探傷優(yōu)點(diǎn)：指示簡(jiǎn)單，適用于