超聲波傳感器和接近開關(guān)資料講解

超聲波傳感器

接近(jiējìn)開關(guān)東華大學(xué)機(jī)械(jīxiè)工程學(xué)院周虎第一頁，共76頁。波動（簡稱波）：振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波：其頻率(pínlǜ)在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波：低于16Hz的機(jī)械波超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波微波：頻率(pínlǜ)在3×108~3×1011Hz之間的波超聲波及其物理性質(zhì)(wùlǐxìngzhì)第二頁，共76頁。聲波(shēnɡbō)的頻率界限圖第三頁，共76頁。超聲波的波型

縱波-——質(zhì)點(zhìdiǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播；橫波——質(zhì)點(zhìdiǎn)振動方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播；表面波——質(zhì)點(zhìdiǎn)的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質(zhì)點(zhìdiǎn)振動的軌跡是橢圓形（其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ５谒捻?，?6頁。超聲波的傳播速度

縱波、橫波及表面波的傳播(chuánbō)速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播(chuánbō)縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在900～1900m/s。超聲波在空氣(kōngqì)中的傳播速度V0=331.5+0.61T(T為環(huán)境溫度)第五頁，共76頁。超聲波傳感器是通過發(fā)生高頻聲波，然后測量聲波從發(fā)生器發(fā)出、至目標(biāo)物體再反射(fǎnshè)回來所需要的時間，來進(jìn)行傳感監(jiān)測的。也可稱為“傳播時間”超聲波傳感器第六頁，共76頁。1. 傳感器變送器發(fā)射高頻聲波(175KHZ到215KHZ)目標(biāo)物體(wùtǐ)將聲波反射回來標(biāo)送器接收到反射回來的信號4. 測量傳播時間5. 將空氣溫度取樣Temperatureofairissampled6. 計算距離超聲波傳感器的操作(cāozuò)功能第七頁，共76頁。單位時間通過的波的個數(shù)，多普勒效應(yīng)(xiàoyìng)當(dāng)波源S和接收器R有相對運動(xiānɡduìyùndònɡ)時,接收器所測得的頻率不等于波源振動頻率的現(xiàn)象。參考系:媒質(zhì)(méizhì)

波源和接收器都靜止

(VS=0,VR=0)波一發(fā)出就會脫離波源運動。波速與波源和接收器無關(guān)。即為收到的頻率每隔一周期畫一波面，間隔為，R··S

波源振動頻率第八頁，共76頁。超聲波的反射(fǎnshè)和折射圖13.2超聲波的反射(fǎnshè)和折射第九頁，共76頁。超聲波的吸收(xīshōu)與衰減聲衰減定義：是指聲能隨著(suízhe)傳播距離而減弱的現(xiàn)象衰減量=頻率×深度頻率高，衰減重原因：吸收損耗、聲束擴(kuò)散、反射和折射第十頁，共76頁。超聲波的衰減(shuāijiǎn)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。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律(guīlǜ)滿足以下函數(shù)關(guān)系：式中:

、

——聲波在距聲源(shēnɡyuán)x處的聲壓和聲強(qiáng)；、

——聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)；

——聲波與聲源間的距離；

——衰減系數(shù)。

第十一頁，共76頁。超聲波傳感器的工作(gōngzuò)原理壓電式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器第十二頁，共76頁。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。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于(děngyú)壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)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。第十三頁，共76頁。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)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化(biànhuà)即機(jī)械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：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。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。第十四頁，共76頁。超聲波*超聲波：頻率高，波長短，定向傳播性好；穿透性好，在液體(yètǐ)、固體中傳播時，衰減很小，能量高等。定位、測距、探傷、顯象，隨著激光全息的發(fā)展聲全息也日益發(fā)展，它在地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域(lǐnɡyù)有重要的意義；由于能量(néngliàng)大而集中可用來切削、焊接，鉆孔，清洗機(jī)件還可用來處理種子和催化。特點用途超聲波的傳播速度對于介質(zhì)的密度、濃度、成分、溫度、壓力的變化很敏感。利用這些可間接測量其他有關(guān)物理量。這種非聲量的聲測法具有測量精密度高、速度快的優(yōu)點；第十五頁，共76頁。超聲波的分辨力與穿透力頻率高，分辨好，穿透差頻率低，分辨低，穿透強(qiáng)對應(yīng)(duìyìng)的臨床應(yīng)用：檢測淺表器官，采用高頻探頭檢測深部臟器，采用低頻探頭第十六頁，共76頁。探頭(tàntóu)頻率越高，分辨力越高。頻率(pínlǜ)與穿透性(penetrability)呈反比?？v向(zònɡxiànɡ)分辨力(longitudinalresolution)第十七頁，共76頁。超聲波傳感器的應(yīng)用(yìngyòng)超聲波測厚超聲波測物位超聲波測流量(liúliàng)超聲波探傷第十八頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例第十九頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第二十頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤(cuòwù)檢測第二十一頁，共76頁。超聲波測厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速(shēnɡsù)常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度：第二十二頁，共76頁。厚度(hòudù)測量第二十三頁，共76頁。疊放高度(gāodù)測量超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第二十四頁，共76頁。手持式超聲波測厚儀第二十五頁，共76頁。某超聲波測厚儀指標(biāo)（參考北京北方大河(dàhé)儀器儀表有限公司資料）顯示方法(fāngfǎ)∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關(guān)機(jī)時間：90秒

電源：二節(jié)七號（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時

使用溫度：-10°C~40°C

存儲溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）第二十六頁，共76頁。超聲波測厚石料(shíliào)測厚第二十七頁，共76頁。超聲波手持式測厚混凝土測厚木材(mùcái)測厚小提琴木料(mùliào)測厚第二十八頁，共76頁。雙晶超聲波測厚探頭(tàntóu)第二十九頁，共76頁。雙晶超聲波測厚探頭(tàntóu)（續(xù)）第三十頁，共76頁。超聲波測物位(d)

(c)

(b)

(a)

幾種(jǐzhǒnɡ)超聲波檢測物位工作原理第三十一頁，共76頁。液位測量(cèliáng)第三十二頁，共76頁。超聲波測量(cèliáng)液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)(gēnjù)超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。第三十三頁，共76頁。高度(gāodù)的分選和移動第三十四頁，共76頁。超聲波測距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速(shēnɡsù)（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。第三十五頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）物件放置錯誤(cuòwù)檢測第三十六頁，共76頁。超聲波測流量(liúliàng)超聲波測量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同(bùtónɡ)的特點，從而求得流體的流速和流量。時差法測流量相位差法測流量頻率差法測流量超聲波測流體流量工作(gōngzuò)原理第三十七頁，共76頁。超聲波流量計

F1發(fā)射(fāshè)的超聲波先到達(dá)T1第三十八頁，共76頁。頻率差法測量流量原理：

F1、F2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。首先由F1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F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路(diànlù)，使F1發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差f與被測流速v成正比。F2F1第三十九頁，共76頁。發(fā)射、接收探頭(tàntóu)也可以安裝在管道的同一側(cè)第四十頁，共76頁。同側(cè)式超聲波流量計的使用(shǐyòng)（參考北京(běijīnɡ)菲波儀表有限公司資料）第四十一頁，共76頁。超聲波流量計現(xiàn)場(xiànchǎng)使用第四十二頁，共76頁。超聲波探傷(tànshāng)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：反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為(fēnwéi)一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。第四十三頁，共76頁。穿透(chuāntòu)法探傷優(yōu)點：指示簡單，適用于自動探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測薄板。缺點：探測靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷(quēxiàn)；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷(quēxiàn)，但不能定位；對兩探頭的相對位置要求較高。第四十四頁，共76頁。一次脈沖(màichōng)反射法一次脈沖反射(fǎnshè)法探傷原理第四十五頁，共76頁。多次脈沖(màichōng)反射法多次脈沖反射(fǎnshè)法探傷原理第四十六頁，共76頁。超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）透明(tòumíng)塑料張力控制第四十七頁，共76頁。機(jī)械手定位(dìngwèi)超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第四十八頁，共76頁。紙卷直徑(zhíjìng)檢測超聲波傳感器

應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第四十九頁，共76頁。平整度測量(cèliáng)超聲波傳感器應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第五十頁，共76頁。流水線計數(shù)(jìshù)超聲波傳感器

應(yīng)用(yìngyòng)舉例（續(xù)）第五十一頁，共76頁。超聲波多普勒測量(cèliáng)車速第五十二頁，共76頁。多普勒效應(yīng)(xiàoyìng)前進(jìn)方向的頻率(pínlǜ)升高如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象(xiànxiàng)叫做多普勒效應(yīng)。測出f就可得到運動速度。第五十三頁，共76頁。超聲波多普勒測量(cèliáng)風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起(yǐnqǐ)超聲波的頻率變大或變小第五十四頁，共76頁。目標(biāo)(mùbiāo)表面粗糙的目標(biāo)表面會對聲波有散射作用如目標(biāo)物體是柔軟或海面狀的，反射(fǎnshè)信號是最小值。33cm3cm3操作(cāozuò)應(yīng)考慮因素第五十五頁，共76頁。目標(biāo)(mùbiāo)大小小型目標(biāo)物體只能(zhīnénɡ)反射部分聲波31cm13cm操作應(yīng)考慮(kǎolǜ)因素第五十六頁，共76頁。溫度(wēndù)作用冷低溫環(huán)境會降低聲波(shēnɡbō)的傳播速度高溫環(huán)境會提高聲波(shēnɡbō)的傳播速度3cm3cm3cm3cm熱環(huán)境考慮(kǎolǜ)因素第五十七頁，共76頁。接近(jiējìn)開關(guān)簡介接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作(dòngzuò)”信號。接近(jiējìn)開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近(jiējìn)的物體有很高的感辨能力。第五十八頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)外形第五十九頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)外形第六十頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)外形（續(xù)）第六十一頁，共76頁。一、常用的接近(jiējìn)開關(guān)分類常用的接近(jiējìn)開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近(jiējìn)開關(guān)，以下僅以電感接近(jiējìn)開關(guān)稱呼之）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。第六十二頁，共76頁。二、接近(jiējìn)開關(guān)的特點接近開關(guān)與被測物不接觸、不會(bùhuì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便；缺點是觸點容量較小、輸出短路時易燒毀。第六十三頁，共76頁。三.接近開關(guān)(kāiguān)的主要性能指標(biāo)：額定(édìng)動作距離、工作距離、動作滯差、重復(fù)定位精度（重復(fù)性）、動作頻率等。第六十四頁，共76頁。四、電渦流接近開關(guān)(kāiguān)（電感接近開關(guān)(kāiguān)）的工作原理電渦流式接近開關(guān)俗稱電感接近開關(guān)，屬于(shǔyú)一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。第六十五頁，共76頁。五、電渦流接近(jiējìn)開關(guān)原理框圖第六十六頁，共76頁。FT39FJ12FFT17FT19FT37霍爾開關(guān)(kāiguān)家族第六十七頁，共76頁?；魻栭_關(guān)(kāiguān)優(yōu)點霍爾開關(guān)具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點。內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關(guān)可應(yīng)用于接近(jiējìn)開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等，作為一種新型的電器配件?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體(dǎotǐ)時，在導(dǎo)體(dǎotǐ)的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。第六十八頁，共76頁。六、接近(jiējìn)開關(guān)的術(shù)語解釋（1）1.動作（檢測）距離:動作距離是指檢測體按一定方式移動時，從基準(zhǔn)位置（接近開關(guān)(kāiguān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)(kāiguān)動作時測得的基準(zhǔn)位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關(guān)(kāiguān)動作距離的標(biāo)稱值。2.復(fù)位距離：接近開關(guān)(kāiguān)動作后，又再次復(fù)位時的與被測物的距離，它略大于動作距離。3.回差值:動作距離與復(fù)位距離之間的絕對值。回差值越大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就越強(qiáng)。第六十九頁，共76頁。接近開關(guān)的檢測(jiǎncè)距離與回差第七十頁，共76頁。接近開關(guān)(kāiguān)的術(shù)語解釋（2）標(biāo)準(zhǔn)