項(xiàng)目一傳感器技術(shù)

任務(wù)8超聲波傳感器超聲波換能器及耦合技術(shù)1.2超聲波傳感器概述010203超聲波傳感器應(yīng)用一、超聲波傳感器概述（一）超聲波及其物理性質(zhì)1.聲波、超聲波及應(yīng)用人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過(guò)20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。介紹：這是第三代超聲波測(cè)距傳感器的發(fā)射部分，其主要特點(diǎn)是采用變壓器升壓，加在發(fā)射頭上的電壓峰-峰值約60-80V，使得發(fā)射功率大大增加（發(fā)射時(shí)可聽(tīng)見(jiàn)“啪啪”聲），這樣一方面為增加距離提供可能；另一方面為提高精度打下基礎(chǔ)，因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)，使得回波檢測(cè)更加可靠。超聲波測(cè)距傳感器2.超聲波的波型分類超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。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：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面（界面）傳播的波。表面波隨深度增加衰減很快。從震源發(fā)出的波動(dòng)有兩種成分:一種代表介質(zhì)體積的漲縮，稱為漲縮波，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致，所以又稱縱波。另一種成分代表介質(zhì)的變形，稱為畸變波，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向垂直，所以又稱橫波?？v波的傳播速度較快，在遠(yuǎn)離震源的地方這兩種波動(dòng)就分開(kāi)，縱波先到，橫波次之。因此縱波又稱P波，橫波又稱S波。在沒(méi)有邊界的均勻無(wú)限介質(zhì)中，只能有P波和S波存在，它們可以在三維空間中向任何方向傳播，所以叫做體波。但地球是有限的，有邊界的。在界面附近，體波衍生出另一種形式的波，它們只能沿著界面?zhèn)鞑?，只要離開(kāi)界面即很快衰減，這種波稱為面波。3.超聲波的傳播特性（1）在兩界面處，聲波的傳輸與光傳輸類似，符合反射定律和折射定律。超聲波的頻率越高，特性越與光波相似。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。（2）超聲波的衰減超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。其衰減的程度與波的頻率和介質(zhì)密度有關(guān)。氣體介質(zhì)密度很小，且頻率較低，一般為幾十KHZ，超聲波衰減很快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。故超聲波儀表主要用于固體及液體中。二、超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。1.超聲波換能器一般的超聲波發(fā)生器是利用超聲波的逆壓電效應(yīng)而進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可做為發(fā)射探頭。利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。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。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。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)。壓電效應(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.壓電式超聲波探頭材料及類型

超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,而以壓電式最為常用。常用的材料：壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。類型：（1）單晶探頭。超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶探頭是處于分時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開(kāi)關(guān)來(lái)切換這兩種不同狀態(tài)；（2）雙晶探頭。它是由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片用于發(fā)射，另一片用于接收；（3）斜探頭。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過(guò)計(jì)算求得。

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片3.超聲波傳感器耦合技術(shù)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、超聲波傳感器應(yīng)用當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型。反射型可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。反射透射1、超聲波測(cè)距原理通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。這與雷達(dá)測(cè)距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）2、超聲波多普勒測(cè)量車速由于振源與觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽(tīng)到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象。這就是頻移現(xiàn)象。因?yàn)?，聲源相?duì)于觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所聽(tīng)到的聲音會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)聲源離觀測(cè)者而去時(shí)，聲波的波長(zhǎng)增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”。讓一隊(duì)人沿街行走，觀察者站在街旁不動(dòng)，每秒有9個(gè)人從他身邊通過(guò)（圖甲）。這種情況下的“過(guò)人頻率”是9人／秒；如果觀察者逆著隊(duì)伍行走，每秒和觀察者相遇的人數(shù)增加，也就是頻率增加（圖乙）；反之，如果觀察者順著隊(duì)伍行走，頻率降低（圖丙）。

甲乙丙超聲波情況：當(dāng)波源和觀察者相對(duì)靜止時(shí)，1s內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰（或密部）的數(shù)目是一定的，觀察到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率；當(dāng)波源和觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，1S內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰（或密部）的數(shù)目增加，觀察到的頻率增加；反之，當(dāng)波源和觀察者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的頻率變小。交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。產(chǎn)生原因：聲源完成一次全振動(dòng)，向外發(fā)出一個(gè)波長(zhǎng)的波，頻率表示單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動(dòng)的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)，而觀察者聽(tīng)到的聲音的音調(diào)，是由觀察者接受到的頻率，即單位時(shí)間接收到的完全波的個(gè)數(shù)決定的。當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率會(huì)改變。在單位時(shí)間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到的頻率增大。同樣的道理，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離波源，觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)減少，即接收到的頻率減小。3.超聲波流量傳感器在被測(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。根據(jù)這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，采用測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差

t、相位差φ或頻率差f等方法，可測(cè)量出流體的平均速度及流量。

4.超聲波測(cè)量液位和物位原理超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始,到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知,就可以求出分界面的位置,利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。5、穿透法探傷根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況來(lái)判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。