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1、超声波传感器 接近开关,东华大学 机械工程学院周虎,波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16 Hz的机械波超声波：高于2104 Hz的机械波微波：频率在310831011 Hz之间的波,超声波及其物理性质,声波的频率界限图,超声波的波型,纵波质点振动方向与波的传播方向一致的 波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播； 横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。它只能在固体中传播； 表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播
2、方向，短轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表面传播。,超声波的传播速度,纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在9001900m/s。,超声波在空气中的传播速度V0=331.5+0.61T(T为环境温度),超声波传感器是通过发生高频声波，然后测量声波从发生器发出、至目标物体再反射回来所需要的时间，来进行传感监测的。也可称为“传播时间”,超声波传感器,1.传感器变送器发射高频声波 (175KHZ 到 215KHZ)目标物体将声波反射回来标送器接收到反射回来的信号4.测量传播时间5.将空气温度取样Te
3、mperature of air is sampled6.计算距离,超声波传感器的操作功能,单位时间通过 的波的个数，,多普勒效应,当波源S和接收器R有相对运动时, 接收器所测得的频率 不等于波源振动频率 的现象。,参考系 : 媒质,波源和接收器都静止 (VS=0,VR=0),波一发出就会脱离波源运动。,即为 收到的频率,超声波的反射和折射,图13.2 超声波的反射和折射,超声波的吸收与衰减,声衰减定义： 是指声能随着传播距离而减弱的现象 衰减量=频率深度频率高，衰减重 原因：吸收损耗、声束扩散、反射和折射,超声波的衰减,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减
4、规律满足以下函数关系：,式中:,、, 声波在距声源x处的声压和声强；,、, 声波在声源处的声压和声强；, 声波与声源间的距离；, 衰减系数。,超声波传感器的工作原理,压电式超声波传感器 磁致伸缩式超声波传感器,压电式超声波传感器,压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。 压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成
5、电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。,磁致伸缩式超声波传感器,磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的。磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。,超声波,* 超声波：频率高，波长短，定向传播性好； 穿透性好，在液体、固体中传播时，衰 减很小，能量高等。,定位、测距、探伤、显象，随着
6、激光全息的发展声全息也日益发展，它在地质、医学等领域有重要的意义；,由于能量大而集中可用来切削、焊接，钻孔，清洗机件还可用来处理种子和催化。,特点,用途,超声波的传播速度对于介质的密度、浓度、成分、温度、压力的变化很敏感。利用这些可间接测量其他有关物理量。这种非声量的声测法具有测量精密度高、速度快的优点；,超声波的分辨力与穿透力,频率高，分辨好，穿透差频率低，分辨低，穿透强对应的临床应用：检测浅表器官，采用高频探头检测深部脏器，采用低频探头,探头频率越高，分辨力越高。,频率与穿透性(penetrability)呈反比。,纵向分辨力(longitudinal resolution),超声波传感器
7、的应用,超声波测厚 超声波测物位 超声波测流量 超声波探伤,超声波传感器应用举例,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,质量检查,紧固件的安装错误检测,超声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度 ：,厚度测量,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,手持式超声波测厚仪,某超声波测厚仪指标 （参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）,显示方法128*32 LCD 点阵液
8、晶显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000 9999m/s 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时 使用温度：-10C 40C 存储温度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池）,超声波测厚,石料测厚,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,双晶超声波测厚探头,双晶超声波测厚探头（续）,超声波测物位,(d),(c),(b),(a),几种超声波检测物位工作原理,液位测量,超声波测量液位和物位原理,在液罐上方安装空气传导型超声
9、发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,高度的分选和移动,超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波测流量,超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。时差法测流量 相位差法测流量 频率差法测流量,超声波测流体流量工作原理,超声波流量计,F1发射的超声波先到达 T
10、1,频率差法测量流量原理： F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被测流速v成正比 。,F2,F1,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波仪表有限公司资料）,超声波流量计现场使用,超声波探伤
11、,穿透法探伤： 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。 反射法探伤： 反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。,穿透法探伤,优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。,一次脉冲反射法,一次脉冲反射法探伤原理,多次脉冲反射法,多次脉冲反射法探伤原理,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,超声波传感器应用举例（续）
12、,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,流水线计数,超声波传感器应用举例（续）,超声波多普勒测量车速,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,目标表面,粗糙的目标表面会对声波有散射作用如目标物体是柔软或海面状的，反射信号是最小值。,3,3cm,3cm,3,操作应考虑因素,目标大小,小型目标物体只能反射部分声波,3,操作应考虑因素,温度作用,冷,低温环境会降低声波的传播速度高温环境会提高声波的传播速度,环境考虑因素,接
13、近开关简介,接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。,接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。,接近开关外形,接近开关外形,接近开关外形（续）,一、常用的接近开关分类,常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关，以下仅以电感接近开关称呼之）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式 、超声波式等。,二、接近开关的特点,接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安
14、装、调整方便； 缺点是 触点容量较小、输出短路时易烧毁。,三.接近开关的主要性能指标：,额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。,四、电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理,电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。,五、电涡流接近开关原理框图,FT3
15、9,FJ12F,FT17,FT19,FT37,霍尔开关家族,霍尔开关优点,霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点。内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。,霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。,六、接近开关的术语解释（1）,1.动作（检测）距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离
16、。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。 2. 复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。 3.回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。,接近开关的检测距离与回差,接近开关的术语解释（2）,标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。,不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）,电涡流线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵
17、敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。,接近开关的安装方式,齐平式安装,非齐平式安装,接近开关的术语解释（4）,响应频率f ：按规定，在1秒的时间间隔内， 接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。 响应时间t ：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算： t=1/ f,响应频率及响应时间示意图,接近开关的术语解释（5）,输出状态：常开/常闭型接近开关 当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。 对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之则负载失电。,
