《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》超聲波傳感器超聲波傳感器Co

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01超聲波傳感器工作原理02超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)03超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY超聲波傳感器工作原理1超聲波的特點(diǎn)

人耳能聽到的聲波頻率在20Hz～20kHz之間。超過20kHz的稱為超聲波，低于20Hz的稱為次聲波，如圖14.1所示。常用的超聲波頻率為幾萬赫茲到幾十兆赫茲。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。圖14.1聲波的頻率界限圖一、超聲波傳感器工作原理1超聲波的特點(diǎn)1.波形及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，超聲波的波型也不同，通常有三種形式：縱波、橫波、表面波。2.傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)。氣體中聲速約344m/s、液體中為900～1900m/s；在固體中縱波、橫波、表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通常橫波聲速約為縱波的一半，表面波聲速約為橫波的90%。在鋼材中的縱波聲速約5000m/s。3.反射及折射超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時(shí)，在它們的交界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)，稱為反射波；另一部分能量透射界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播，稱為折射波。一、超聲波傳感器工作原理1超聲波的特點(diǎn)

一、超聲波傳感器工作原理1超聲波的特點(diǎn)

一、超聲波傳感器工作原理2超聲波傳感器的工作原理圖14.2超聲波傳感器的工作原理

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，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。一、超聲波傳感器工作原理2超聲波傳感器的工作原理

以超聲波發(fā)生器為例，超聲波發(fā)生器將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。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14.2所示。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。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)換能器可產(chǎn)生幾萬赫茲到幾十兆赫茲的高頻超聲波。一、超聲波傳感器工作原理02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)1超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖14.3超聲波探頭結(jié)構(gòu)

超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖14.3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。阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，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。二、超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)1超聲波探頭的結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)分為兩部分：（1）產(chǎn)生高頻電流或電壓的電源；（2）換能器，它將電磁振蕩變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波。超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)。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。二、超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)2超聲波探頭耦合

超聲波傳感器一般不能直接將其放在被測(cè)介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動(dòng)，以防磨損，所以通常用耦合劑來進(jìn)行超聲波的傳遞。常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。使用超聲耦合劑的目的首先是充填接觸面之間的微小空隙，不使這些空隙間的微量空氣影響超聲的穿透；其次是通過耦合劑“過渡”作用，使探頭與被測(cè)物之間的聲阻抗差減小，從而減小超聲能量在此界面的反射損失。另外，還起到“潤(rùn)滑”作用，減小探頭面與表面之間的摩擦，使探頭能靈活的滑動(dòng)探查。二、超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例1超聲波測(cè)量厚度

超聲波測(cè)厚主要有脈沖回波法，共振法、干涉法等幾種。應(yīng)用較廣的是脈沖回波法。超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測(cè)工件另一面被反射回來，被同一探頭接收，工作原理如圖14.4所示。三、超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例1超聲波測(cè)量厚度圖14.4超聲波測(cè)厚工作原理如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設(shè)工件厚度為δ，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t可以測(cè)量，因此可求出工件厚度為δ=vt/2。三、超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例2超聲波物位傳感器

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)射超聲波脈沖開始，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。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。三、超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例2超聲波物位傳感器

超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體中，讓超聲波在液體中傳播。由于在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面上方，讓超聲波在空氣中傳播，這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。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)有較大的誤差。圖14.5超聲波物位傳感器工作原理三、超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例2超聲波物位傳感器

三、超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例3超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測(cè)定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多普勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法，它利用的是超聲波在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度不同。圖14.6超聲波傳感器內(nèi)部安裝位置圖三、超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量案例3超聲波流量傳感器

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波傳感器安裝在管道的外部，如圖14.7所示，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響。超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體。還是高黏度的