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1、第10章 超声波传感器,10.1 超声波及其物理性质10.2 超声波传感器10.3 超声波传感器应用,10.1 超声波及其物理性质,10.1 超声波及其物理性质,波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。频率：次声波、声波、超声波、微波,次声波：低于16 Hz的机械波；声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：高于2104 Hz的机械波；微波：频率在310831011 Hz之间的波；,10.1.1 超声波的波型及其传播速度,纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气）横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面
2、传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）,当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。,超声波的传播速度,取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。,在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为,E 杨氏模量；泊松比；G 剪切弹性模量。,在气体和液体中，由于不存在剪切应力仅有纵波的传播，其传播速度c为,介质的密度；Bn绝对压缩系数。,纵波,横波,表面波,超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例，当蒸馏水温度在074时，声速随温度的升高而增加，在74时达到最大值，大于74后，声速随温度的增加而减小。此
3、外，水质、压强等也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为9001900m/s。,表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化,表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化,10.1.2 超声波的反射和折射,当波速一致时,（2）折射定律,c1入射声波速,c2折射声波速,（1）反射定律,I0,Ir,It分别为入射波、反射波、透射波的声强；1c1、2c2分别为两介质的声阻抗。,声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:,当超声波垂直入射界面，即=0
4、时，则,若2c21c1，R0，T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若2c21c1,R1，则声波几乎全反射，透射极少。当1c12c2，R1，声波几乎全反射。在20水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。,L入射纵波；L1 反射纵波；L2 折射纵波 S1 反射横波；S2折射横波。,(3)波型转换,当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时,除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射,如果第二介质为液体或气体，则仅有纵波，而不会产生横波和表面波。（1）纵波全反射：折射波中便只有横波存在（2）横波全反射：介质的分界面上只传播表面波。,10.1.3
5、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规律为,式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强；x声波与声源间的距离；衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。,声波衰减原因：扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮 粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩 擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导 致声能的损耗。,10.2 超声波传感器,能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置
6、就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点：精度高，被测物体不受影响，使用寿命长结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式,压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。,图10-3 压电式超声波传感器结构,它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与
7、其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。,压电式,磁致伸缩式,磁致伸缩式超声波传感器: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
8、来。,超声波振荡电路,数字式超声波振荡电路,振荡器产生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号，H3H6进行功率放大，再经过耦合电容CP传给超声波振子MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电压，会使传感器特性明显变差，因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供给传感器。该电路通过调节R可改变振荡频率：,采用脉冲变压器的超声波振荡电路,采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶体管V放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S。超声波传感器MA4
9、0S2S产生40 kHz能量的超声波。,10.3 超声波传感器应用,10.3.1 超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器：传感器发射和接收超声波使用同一个换能器双换能器：传感器发射和接收各由一个换能器担任,图10-4 几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播,液位测量,储油罐分选,超声波液位计,MDARS-E型室外保安机器人,
10、多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器,为计数或安全目的，进行人员探测,堆置高度控制,厚度测量,脉冲回波法检测厚度工作原理,超声波测厚,图是超声波测厚示意图。双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲，经探头内部的延迟块延时后,该脉冲进入被测试件,在到达试件底面时,被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。这样，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(扣除经两次延迟的时间),再乘上被测体的声速常数,就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，也就代表了厚度值，即：,高度的分选和移动,倒车雷达,鱼群探测器,10.3.2 超声波流量传感器,理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。
11、特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。工作原理：传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。,顺流,逆流,由于cv,c 超声在流体中的速度v 流体的平均流速,此时超声波的传输时间将由下式确定：,c 超声在流体中的速度v 流体的平均流速,在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2）。其中（F1，T1）的超声波是顺流传播的，而（F2，T2）的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在液体中传
12、播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差t、相位差或频率差f等方法，可测量出流体的平均速度及流量。,超声波流量传感器工作原理,10.3.3 超声波探伤传感器,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。,（1）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。,穿透法探伤原理,（2）一次脉冲反射法,一次脉冲反射法探伤原理,（3）多次脉冲反射法,多次脉冲反射法探伤原理,t,A,案例：输油管检测检测机器人,10.3.4 超声波测温传感器,接收波,发射波,
