傳感器第10章

1、10.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器返回主目錄第第10章超聲波傳感器章超聲波傳感器 超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)，主要涉及到超聲波的產(chǎn)生、傳播與接收技術(shù)：超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超聲技術(shù)的應(yīng)用可分為兩類：超聲加工和處理技術(shù)，即功率超聲應(yīng)用；超聲檢測(cè)技術(shù)，即檢測(cè)超聲。 超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理是利用某種待測(cè)的非聲量(如密度、流量、液位、厚度、缺陷等)與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量(如聲速、衰減、聲阻抗等)之間存在著的直接或間接關(guān)

2、系，探索了這些關(guān)系的規(guī)律就可通過(guò)超聲量的檢測(cè)來(lái)確定那些待測(cè)的非聲量。 第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)振動(dòng)振動(dòng)在彈性媒質(zhì)內(nèi)的傳播稱為在彈性媒質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波波。超聲波是。超聲波是機(jī)械波機(jī)械波。 16HZ2104 3108 - 31011 第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器10.1.1、超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換和波速、超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換和波速 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)有三種主要聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)有三種主要波型波型： 縱波縱波，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，它能在，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。固體、液體和

3、氣體介質(zhì)中傳播。 橫波橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向，它只能在，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向，它只能在固體介質(zhì)中傳播。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，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間， 沿著表面沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。傳播的波?橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播體和氣體中傳播, 表面波隨深度增加衰減很快。表面波隨深度增加衰減很快。 第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器n超聲波的超聲波的傳播速度傳播速度 超聲波在超聲波在氣體和液體氣體和液體中沒(méi)有橫波，只能傳播縱中沒(méi)有橫波，只能傳播縱波。其傳播速度為波。其傳播

4、速度為 （13-1）式中，式中，Ba絕對(duì)壓縮系數(shù)；絕對(duì)壓縮系數(shù)； 介質(zhì)的密度。介質(zhì)的密度。 氣體氣體中的聲速約為中的聲速約為344m/s，液體液體中的聲速為中的聲速為9001900m/s。1/acB第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波在超聲波在固體固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為分別為 （13-2） （13-3）(13-3)2111Ec縱10.52 1EGcc縱橫橫表面cGc9 . 09 . 0式中，E固體介質(zhì)的楊氏模量；固體介質(zhì)的泊松比；G固體介質(zhì)的剪切彈性模量；介質(zhì)密度。第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器10.1.2 超聲波的

5、反射和折射超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生分界面上將發(fā)生反射反射和和折射折射，如圖，如圖13-2所示。超聲波的反所示。超聲波的反射和折射滿足波的反射定律和折射定律，即射和折射滿足波的反射定律和折射定律，即 (13-5) (13-6)21sinsincc圖13-2 超聲波的反射和折射 第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器10.1.3 聲波的聲波的衰減衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減

6、規(guī)律衰減規(guī)律為為P=P0ex (13-7)I=I0ex (13-8)式中，式中，P0、I0聲波在距離聲源聲波在距離聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)；P、I聲波在距離聲源聲波在距離聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)； 衰減系數(shù)。衰減系數(shù)。 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散擴(kuò)散、散散射射和和吸收吸收。10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 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)而研制的裝置可稱為裝置可稱為超聲波換能器、超聲波換能器、 探測(cè)器或傳感器探測(cè)器或傳感器。 超聲波探頭按超聲波

7、探頭按其工作原理其工作原理可分為可分為壓電式壓電式、 磁致伸縮式磁致伸縮式、 電磁式電磁式等等, 而以而以壓電式壓電式最為常用。最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體壓電晶體和和壓電陶瓷壓電陶瓷, 這這種傳感器統(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)來(lái)工作的電效應(yīng)來(lái)工作的: 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)將將高頻電振動(dòng)高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振高頻機(jī)械振動(dòng)動(dòng), 從而產(chǎn)生從而產(chǎn)生超聲波超聲波, 可作為可作為發(fā)射發(fā)射探頭探頭; 而利用而利用正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng), 將將超聲振動(dòng)波超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電信

8、號(hào)電信號(hào), 可用為可用為接收接收探頭。探頭。 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器的壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性： 壓電式探頭主要由壓電晶片壓電式探頭主要由壓電晶片(敏感元件敏感元件)、吸收塊、吸收塊(阻尼阻尼塊塊)、保護(hù)膜組成，其結(jié)構(gòu)如圖、保護(hù)膜組成，其結(jié)構(gòu)如圖13-3所示。壓電晶片多為圓所示。壓電晶片多為圓板形，其厚度板形，其厚度d與超聲波頻率與超聲波頻率f成反比，成反比， (13-9)式中，式中，E11晶片沿晶片沿X軸軸方向的彈性模量；方向的彈性模量； 晶晶片的密度。片的密度。1121Edf 圖13-3 壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu) 壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電

9、極板。阻尼塊的壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電極板。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(méi)有阻尼作用是降低晶片的機(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。長(zhǎng)超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。第第10章章 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)中超聲清洗、超聲波焊超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)中超聲清洗、超聲波焊接、超聲波加工接、超聲波加工(超聲鉆孔、切削、研磨、拋光，超聲波金超聲鉆孔、切削、研磨、拋光，

10、超聲波金屬拉管、拉絲、軋制等屬拉管、拉絲、軋制等)、超聲波處理、超聲波處理(搪錫、凝聚、淬火，搪錫、凝聚、淬火，超聲波電鍍、凈化水質(zhì)等超聲波電鍍、凈化水質(zhì)等)、超聲波治療和超聲波檢測(cè)（超、超聲波治療和超聲波檢測(cè)（超聲波測(cè)厚、檢漏，探傷、成像等）等。下面介紹幾種超聲波聲波測(cè)厚、檢漏，探傷、成像等）等。下面介紹幾種超聲波傳感器的檢測(cè)應(yīng)用。傳感器的檢測(cè)應(yīng)用。10.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 一、一、 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(kāi)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

11、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。 對(duì)于對(duì)于單換能器單換能器來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō), 超聲波從發(fā)射到液面超聲波從發(fā)射到液面, 又從液面反射又從液面反射到換能器的時(shí)間為到換能器的時(shí)間為 vht22vth 對(duì)于對(duì)于雙換能器雙換能器來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō), 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過(guò)的路程為超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過(guò)的路程為2s, s = 因此液位高度為因此液位高度為 h = （s2-a2）1/22vt 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn), 但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。若液體

12、中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下在一般使用條件下, 它的測(cè)量誤差為它的測(cè)量誤差為0.1%, 檢測(cè)物位的檢測(cè)物位的范圍為范圍為10-2104m .二、二、 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(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(tīng)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。 超聲波在流體中傳輸時(shí), 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的, 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。 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器, 它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波, 一個(gè)裝在上游, 一個(gè)裝

13、在下游, 其距離為L(zhǎng)。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1, 逆流方向的傳輸時(shí)間為t2, 流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c, 流體流動(dòng)速度為v, 則 t1 = t2 = vcLvcL t=t2-t1= 222vcLv22cvtL 在實(shí)際應(yīng)用中, 超聲波傳感器安裝在管道的外部, 從管道的外面透過(guò)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(lái)影響 。1cossinDtcv2cossinDtcv 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、 高粘度的流體、漿狀流體, 只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來(lái)對(duì)自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。 還可用

14、于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、 河流等流速的測(cè)量。 超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和類型： 根據(jù)換能器多少，目前氣體超聲流量計(jì)有一至六聲道流量計(jì)；根據(jù)超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射三種。 國(guó)內(nèi)天然氣集輸管線大部分使用超聲波流量計(jì)來(lái)計(jì)量天然氣的流量，總管線天然氣流量計(jì)量基本上采用五聲道氣體超聲流量計(jì)。超聲波傳感器-流量計(jì) 單聲道流量計(jì)單反射技術(shù)原理，計(jì)量不確定度為1.02.0%。 超聲波傳感器-流量計(jì) 單聲道流量計(jì)單反射技術(shù)結(jié)構(gòu)。 超聲波傳感器-流量計(jì) 雙聲道流量計(jì)雙反射技術(shù)原理，不確定度為0.71.0%（Instromet公司）超聲波傳感器-流量計(jì) 雙聲道流量計(jì)雙反射技術(shù)結(jié)構(gòu)（Instrom

15、et公司）超聲波傳感器-流量計(jì) 三聲道流量計(jì)一個(gè)單單反射和兩個(gè)雙反射技術(shù)原理（Instromet公司）。超聲波傳感器-流量計(jì) 三聲道流量計(jì)一個(gè)單單反射和兩個(gè)雙反射技術(shù)結(jié)構(gòu)（Instromet公司）超聲波傳感器-流量計(jì) 五聲道流量計(jì)三個(gè)聲道采用單反射技術(shù)原理，兩個(gè)聲道采用旋轉(zhuǎn)方向相反的雙反射技術(shù)，對(duì)旋渦流的流量測(cè)量準(zhǔn)確度較高，不確定度為0.30.5% （ Instromet公司） 超聲波傳感器-流量計(jì) 五聲道流量計(jì)三個(gè)聲道采用單反射技術(shù)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)聲道采用旋轉(zhuǎn)方向相反的雙反射技術(shù)（ Instromet公司）。 超聲波傳感器-流量計(jì) 醫(yī)用超聲檢測(cè)醫(yī)用超聲檢測(cè) 超聲波在醫(yī)療上的應(yīng)用是通過(guò)向體內(nèi)發(fā)射超聲

16、波超聲波在醫(yī)療上的應(yīng)用是通過(guò)向體內(nèi)發(fā)射超聲波(主要是主要是縱波縱波)，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來(lái)的超聲回波并加以，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來(lái)的超聲回波并加以處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播特性的差異處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播特性的差異(表表13-1)進(jìn)行診斷。進(jìn)行診斷。表13-1 診斷超聲在人體組織中的聲速組織類型組織類型 肺肺 脂肪脂肪 肝肝 血血 腎腎 肌肉肌肉晶體狀晶體狀(眼眼)骨骨(頭顱骨頭顱骨)聲速聲速/ms 600 1460 1555 1560 1565 600 1620 4080 超聲波診斷儀超聲波診斷儀類型類型很多，最常用的有：很多，最常用的有： A型超聲波診斷儀