聲波式傳感器

1、第七章第七章 聲、氣、濕敏傳感器聲、氣、濕敏傳感器7.1 聲聲/超聲波傳感器超聲波傳感器7.1.1 聲聲/超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于16 Hz的機械波，稱為次聲波；高于2104 Hz的機械波，稱為超聲波, 如圖下所示。頻率在310831011 Hz之間的波，稱為微波。 101102103104105106107f / Hz微波探測超聲波語言音樂聲波次聲波0.2510620106u 頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小；頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象??；u 方向性好方向性好、能夠成為射線而定向

2、傳播；、能夠成為射線而定向傳播；u 對液體、固體的對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大穿透本領(lǐng)很大，在陽光不透明的固體中，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。它可穿透幾十米的深度。u 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射反射、折射和和波型轉(zhuǎn)換波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。u 碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)；碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)；u 傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。超聲波的特點 1. 聲聲/超聲波的波型及其傳播

3、速度超聲波的波型及其傳播速度 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，聲波聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：的波型也不同。通常有： 縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播； 橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；體介質(zhì)中傳播； 表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面

4、波只面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只能在固體、能在固體、中傳播中傳播。 為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波。超聲波的頻率越為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波。超聲波的頻率越高，與光波的某些性質(zhì)越相似。高，與光波的某些性質(zhì)越相似。 超聲波的超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度傳播，其傳播速度c為為 nBc1式中：式中：介質(zhì)的密度；介質(zhì)的密度； Ba絕對壓縮系數(shù)。絕對壓縮系數(shù)。 上述的上述的、Ba都是

5、溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化，表度隨溫度的變化而變化，表7-1為蒸餾水在為蒸餾水在0100時聲速隨溫時聲速隨溫度變化的數(shù)值。度變化的數(shù)值。 （7-1） 表表7-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化 從表從表7-1可見，蒸餾水溫度在可見，蒸餾水溫度在0100范圍內(nèi)，聲速隨溫度范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化，在的變化而變化，在74 時達到最大值，大于時達到最大值，大于74 后，后， 聲速隨溫聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強也會引起聲速的變化。度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強也會引起聲速的變化

6、。 在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為氣體中縱波聲速為344 m/s，液體中縱波聲速在，液體中縱波聲速在9001900m/s 。 2. 聲聲/超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)， 在兩個介質(zhì)的分界面在兩個介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射上一部分聲波被反射, 另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼

7、續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖7-2所示。所示。 圖7-2 超聲波的反射和折射o介質(zhì)1介質(zhì)2折射波反射波入射波 由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。 當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，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 21sinsincc（7-2） 聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得: 211220coscosccIIRr(7-3) 22211222110)cos(cos4ccccIITt(7-4) 式中：I

8、0, Ir, It分別為入射波、反射波、透射波的聲強； 、分別為聲波的入射角和折射角； 1c1、2c2分別為兩介質(zhì)的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。 當(dāng)聲/超聲波垂直入射界面，即=0時，則 222112211211221122)(411ccccTccccR(7-6) (7-5) 由式（7-5）和式（7-6）可知， 若2c21c1，則反射系數(shù)R0，透射系數(shù)T1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)； 若2c21c1, 反射系數(shù)R1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。 當(dāng)1c1 2c2時，反射系數(shù)R1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20 水溫時，水的特性阻抗為1c

9、1 =1.48106kg/(m2s), 空氣的特性阻抗為2c2 =0.000 429106 kg/(m2s), 1c1 2c2, 故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時， 將發(fā)生全反射。 3. 聲聲/超聲波的衰減超聲波的衰減 聲壓聲壓:介質(zhì)中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差介質(zhì)中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差稱為聲壓。單位為稱為聲壓。單位為Pa，1Pa =1N/m2 聲強聲強:又稱為聲波的能流密度，即單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳又稱為聲波的能流密度，即單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量播方向的單位面積的聲波能量。 聲強是一個矢量聲強是一個矢量，它的方向就是

10、能量傳播的方向，它的方向就是能量傳播的方向，聲強的單聲強的單位是位是W/m2。 聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為和聲強的衰減規(guī)律為 axxaxxeIIePP200（7-7） （7-8） 式中：式中：Px、Ix距聲源距聲源x處的聲壓和聲強；處的聲壓和聲強； x聲波與聲源間的距離；聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培（奈培/厘米）。厘米）。 聲波在介質(zhì)中傳播時，能量

11、的衰減決定于聲波的擴散、散聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。射和吸收。 在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散擴散， 即隨聲波即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。傳播距離增加而引起聲能的減弱。 散射衰減散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中的顆粒界是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)

12、量、的形狀、尺寸、數(shù)量、 介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。 吸收衰減吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分質(zhì)點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)，通過熱傳導(dǎo)進行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。進行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。 7.1.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。 超聲波探頭按其工作原理

13、可分為超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式壓電式、磁致伸縮磁致伸縮式式、電磁式電磁式等，其中以壓電式最為常用。等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。 壓電式超聲波壓電式超聲波發(fā)生器發(fā)生器是利用是利用逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動的原理將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲

14、波最強。聲波最強。 壓電式超聲波壓電式超聲波接收器接收器是利用是利用正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)原理進行工作的。當(dāng)原理進行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。 由于用途不同，壓電式超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分由于用途不同，壓電式超聲波傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭直探頭（縱波）、（縱波）、斜探頭斜探頭（橫波）、（橫波）、表面波探頭表面波探頭（

15、表面波）、（表面波）、雙探頭雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。尼塊）、保護膜、引線等組成。 壓電晶片多為圓板形，壓電晶片多為圓板形， 厚度為厚度為。超聲波頻率。超聲波頻率f與其厚度與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。作導(dǎo)電的極板。 阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質(zhì)，阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質(zhì)， 吸收聲吸收聲能量。能量。 如果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵的電脈沖信號停止時，如

16、果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵的電脈沖信號停止時， 晶片將晶片將會繼續(xù)振蕩，會繼續(xù)振蕩， 加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。 圖7-3 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 磁致伸縮式超聲波傳感器磁致伸縮式超聲波傳感器 磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來工作的。 磁致伸縮式超聲波發(fā)生器發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。 磁致伸縮式超聲波接收器接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場（即導(dǎo)磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動勢。

17、此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。 超聲波傳感器的典型應(yīng)用超聲波傳感器的典型應(yīng)用 各種場合的距離測量；各種場合的距離測量； 生產(chǎn)線上的工件計數(shù)；生產(chǎn)線上的工件計數(shù)； 接近開關(guān)；接近開關(guān)； 倒車報警裝置；倒車報警裝置； 機器人自動避障裝置；機器人自動避障裝置； 超聲波液位超聲波液位/物位計；物位計； 自動門開關(guān)裝置；自動門開關(guān)裝置； 液體、氣體的濃度和流量檢測；液體、氣體的濃度和流量檢測； 超聲波清洗；超聲波清洗； 超聲波霧化；超聲波霧化； 探傷、測厚、測密度；探傷、測厚、測密度； 醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀 無損探傷無損探傷超聲波測厚超聲波測厚圖13.4 脈沖回波法

18、檢測厚度工作原理超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 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)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。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)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔(dān)任。 圖7-4給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖7-4（a）所示。由于超聲波在液體中衰減比較小， 所以即使發(fā)射的超聲脈沖

19、幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播， 如圖7-4（b）所示。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。 圖7-4 幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖 (a) 超聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播hh2a2ahhss(a)(b) 對于單換能器來說， 超聲波從發(fā)射器到液面， 又從液面反射到換能器的時間為 22cthcht則 （7-9） （7-10） 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。 對于如圖7-4所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而 2cts （7-11） 因此液位高度為 22

20、ash（7-12） 式中：s超聲波從反射點到換能器的距離； a兩換能器間距之半。 從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可以求得待測的物位。 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下， 它的測量誤差為0.1%。 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的， 如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。 超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截

21、面積， 便可知道流體的流量。 如果在流體中設(shè)置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L, 如圖7-5所示。如設(shè)順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則 vcLtvcLt21（7-13） （7-14） 圖7-5 超聲波測流量原理圖 一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度， 因此超聲波傳播時間差為 22122vcLvttt（7-15） 由于cv, 從上式便可得到流體的流速， 即 tLcv22（7-16） 此時超聲波的傳輸時間將由下式確定： sincossincos21v

22、cDtvcDt212sin2cLvttttLcvsin22 頻率差法測量流量原理頻率差法測量流量原理： A、B是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由先由A發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被管壁被B接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)A的驅(qū)動電路，使的驅(qū)動電路，使A發(fā)射第二個聲脈沖發(fā)射第二個聲脈沖 。緊接著，由緊接著，由B發(fā)射超聲脈沖，而發(fā)射超聲脈沖，而A作接作

23、接收器，可以測得收器，可以測得A的脈沖重復(fù)頻率為的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測得。同理可以測得B的脈的脈沖重復(fù)頻率為沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率與逆流發(fā)射頻率f 2的頻率的頻率差差 f與被測流速與被測流速v成正比成正比 。Lvcfcos1Lvcfcos2BAfLvLvfffcos2cos212 發(fā)射、接收探頭發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)也可以安裝在管道的同一側(cè)多普勒（效應(yīng)）法多普勒（效應(yīng)）法 超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量

24、計可用來對自來水、工業(yè)用水、 農(nóng)業(yè)用水等進行測量。還適用于下水道、 農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測量。 常用常用超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器分類：分類：時差法時差法和和多普勒效應(yīng)法多普勒效應(yīng)法；固定式固定式和和便攜式便攜式；條件條件傳播時間差法傳播時間差法多普勒法多普勒法適用液體適用液體水類水類(江河水，海水農(nóng)江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等業(yè)用水等),油類（純凈油類（純凈燃油，潤滑油，食用燃油，潤滑油，食用油等），化學(xué)試劑，油等），化學(xué)試劑，藥液等藥液等含雜質(zhì)多的水含雜質(zhì)多的水(下水，下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等污水，農(nóng)業(yè)用水等)，漿類漿類(泥漿，礦漿，紙泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等漿化工料漿等)，油類，油類(非凈燃油，重油，原非凈燃油，重油，原油等油等)重復(fù)性誤差重復(fù)性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長傳輸電纜長度度100-300m,在能保證信在能保證信號質(zhì)量的前提下號質(zhì)量的前提下,可以可以小于小于100m30m價格價格較高較高一般較低一般較低超聲波探傷 穿透法探傷穿透法探傷： 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判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。 反射法探傷反射法探傷： 反