第七章 超聲波傳感器

1、第七章 超聲波傳感器主講人：陳寅時(shí)間：3/28/2022導(dǎo)入汽車倒車?yán)走_(dá)導(dǎo)入汽車倒車?yán)走_(dá)工作原理圖目錄目錄 content0101超聲波的物理性質(zhì)0202超聲波傳感器的材料及結(jié)構(gòu)0303超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波的物理性質(zhì)011.1 聲波的分類 次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，次聲波的特點(diǎn)是波長(zhǎng)大、傳播遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)。人耳聽(tīng)不到，但可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。 1）次聲波1.1 聲波的分類可聞聲波其頻率在20Hz20kHz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波。 2）可聞聲波美妙的音樂(lè)，可以使人心情愉悅。1.1 聲波的分類超聲波是指高于20kHz的

2、機(jī)械 波 。 （ 其 中 頻 率 在310831011 Hz之間的波又稱為微波）超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。 3）超聲波圖10-1 聲波的頻率界限圖 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)生反射反射、折射折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 101102103104105106107f / Hz微波探測(cè)超聲波語(yǔ)言音樂(lè)聲波次聲波0.25106201061.1 聲波的分類1.2 超聲波的波形 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： 縱波縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致一致的波，它能在固體、液體固體、

3、液體和氣體和氣體介質(zhì)中傳播； 橫波橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直垂直于傳播方向的波，它只能在固體固體介質(zhì)中傳播； 表面波表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，在固體表面的平衡位置作橢圓軌跡沿著固體的表面表面向前傳播的波，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面固體的表面?zhèn)鞑ァ?1.2 超聲波的波形動(dòng)態(tài)演示：1.3 聲速、波長(zhǎng)及指向性 1）聲速）聲速 超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c c為 式中：介質(zhì)的密度； Bn絕對(duì)壓縮系數(shù)。 上述的 、 Bn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

4、化。 n nB B1 1c c1.3 聲速、波長(zhǎng)及指向性 另外，聲阻抗Z Z是描述介質(zhì)傳播聲波特性的一個(gè)物理量，介質(zhì)的聲阻抗為介質(zhì)密度與聲速C C的乘積，即ZC 在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速有著一定的關(guān)系。通常橫波的聲波約為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90。1.3 聲速、波長(zhǎng)及指向性2 2）波長(zhǎng)）波長(zhǎng)超聲波的波長(zhǎng)與頻率f的乘積等于聲速C Cf 3 3）指向性）指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束是以一定的角度向外擴(kuò)散的。如右圖所示。在聲源的中心軸線上聲強(qiáng)最大，隨著擴(kuò)散角度的增大聲強(qiáng)逐步減小。半擴(kuò)散角、聲源直徑D以及波長(zhǎng)之間的關(guān)系為： sinsin1.22 /1.22 /DD 1

5、.4 超聲波的反射與折射1 1）反射定律）反射定律入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比，當(dāng)入射波和反射波的波形相同，波速相等時(shí)，反射角等于入射角。2 2）折射定律）折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波中介質(zhì)的波速C1與折射波中介質(zhì)的波速C2之比，即2 21 1C CC Cs si in ns si in na a1.4 超聲波的反射與折射3 3）反射系數(shù)）反射系數(shù)反射聲強(qiáng)Ir與入射聲強(qiáng)Ii之比，稱為反射系數(shù)r，即 r=irII=21212)coscoscoscos(ZaZZaZ當(dāng)超聲波垂直入射時(shí)，00，上式可簡(jiǎn)化為 r=21212ZZZZ 由上式可知，當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗相差越

6、懸殊，反射系數(shù)越接近于當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗相差越懸殊，反射系數(shù)越接近于1 1，即反射能力就越即反射能力就越強(qiáng)強(qiáng), ,折射能力相對(duì)越弱折射能力相對(duì)越弱。 4 4）折射折射系數(shù)系數(shù)折射聲強(qiáng)Ip與入射聲強(qiáng)Ii之比稱為折射系數(shù)p，p=1-r 1.5 超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 axxaxxeIIePP200式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)； x聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。 1.5 超聲波的衰減 擴(kuò)散擴(kuò)散衰減是指隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。在理

7、想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散。 散射散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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，其中一部分聲能不再沿原來(lái)傳播方向運(yùn)動(dòng)，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、 介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。 吸收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(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。 超聲波傳感器的材料及結(jié)構(gòu)022.1 超聲波傳感器的材料 利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為超聲波傳感器、探測(cè)器或換能器，也稱為探頭探頭。 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式壓電

8、式、磁致伸縮式磁致伸縮式、電磁式電磁式等，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。 它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)來(lái)工作的。2.1 超聲波傳感器的材料 壓電效應(yīng)有正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。 超聲波發(fā)送器超聲波發(fā)送器是利用逆向逆向壓電效應(yīng)制成，即在壓電元件上施加電壓，元件就變形（也稱應(yīng)變）引起空氣振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。 超聲波接收器超聲波接收器是利用正向正向壓電效應(yīng)制成，即接收到的超聲波促使接收器的振子隨著相應(yīng)頻率進(jìn)行振動(dòng)，由于存在正向壓電效應(yīng)，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓。2.2 超

9、聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波探頭類型超聲波傳感器根據(jù)探頭的結(jié)構(gòu)不同，可以分為：a)直探頭、b)斜探頭、c)雙探頭、d)水浸探頭、這些探頭適用于以液體、固體液體、固體為傳導(dǎo)介質(zhì)。1 1）液體）液體、固體超聲波探頭固體超聲波探頭2.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 直探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，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。超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。 阻尼阻尼塊塊的作用：降低晶片的機(jī)械品質(zhì)， 吸收聲能量。 如果沒(méi)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。 金屬殼吸收塊保護(hù)膜接

10、線片壓電晶片導(dǎo)電螺桿超聲波探頭結(jié)構(gòu)圖2.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 空氣超聲探頭的發(fā)射和接收裝置是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同。右圖為空氣傳導(dǎo)的超聲波發(fā)射器和接收器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的共振盤，阻抗匹配共振盤，阻抗匹配器器是為了提是為了提高超聲波的發(fā)射與接收高超聲波的發(fā)射與接收效率而設(shè)計(jì)的。效率而設(shè)計(jì)的。 a） 超聲發(fā)射器 b）超聲接收器 1外殼 2金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤 4壓電晶片 5引腳 6阻抗匹配器 7超聲波束 2 2）空氣超聲波探頭）空氣超聲波探頭2.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)3 3）實(shí)物圖）實(shí)物圖2.2 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)空氣超聲波探頭超聲波傳感器的應(yīng)用03hh2a2ahhss(a)(b)

11、3.1 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)的分界面上的反射反射特性而制成的。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，又可分為單換能器和雙換能器。(a) 超聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播3.1 超聲波物位傳感器 1）單換能器 對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)左邊兩幅圖，超聲波從發(fā)射器到液面， 又從液面反射到換能器的時(shí)間為 cht2則 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。 2cth3.1 超聲波物位傳感器 2）雙換能器 圖中右邊兩幅圖所示雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為2s，而 2cts 因此液位高度為 22ash式中：s超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離

12、； a兩換能器間距之半。 3.1 超聲波物位傳感器測(cè)料位3.2 超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，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(tīng)聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波超聲波傳播時(shí)間差法傳播時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積， 便可知道流體的流量。 3.2 超聲波流量傳感器 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)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(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L(zhǎng), 如圖所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，則 vcLtvcLt213.2 超聲波