超聲波傳感器(下)詳解

二、超聲波發(fā)生器原理壓電晶體：壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)_y逆壓電效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)，而產(chǎn)生超聲波，如圖所示。3/9/20231第四章非電量的電測(cè)技術(shù)壓電材料的固有頻率：當(dāng)外加交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振，這時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)?！舱駢弘娦?yīng)換能器可以產(chǎn)生幾十千赫茲到幾十兆赫茲的高頻超聲波。3/9/20232第四章非電量的電測(cè)技術(shù)三、超聲波接收器原理在超聲波技術(shù)中，除了須要能產(chǎn)生超聲波的發(fā)生器以外，還須要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進(jìn)行工作的。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。它的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)換能器兼做發(fā)生器和接收器兩種用途。壓電晶體測(cè)量電路超聲波3/9/20233第四章非電量的電測(cè)技術(shù)為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必需產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。1、超聲波測(cè)距原理：超聲波放射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過(guò)反射后，再反回到接收探頭。Δ超聲波探頭3/9/20234第四章非電量的電測(cè)技術(shù)2、超聲波探頭材料常用的材料：壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。工作原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可做為放射探頭。利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。3/9/20235第四章非電量的電測(cè)技術(shù)超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片放射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。3/9/20236第四章非電量的電測(cè)技術(shù)耦合劑超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間猛烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必需將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順當(dāng)?shù)厝肷涞奖粶y(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，常常運(yùn)用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充溢在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來(lái)水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。3/9/20237第四章非電量的電測(cè)技術(shù)空氣超聲探頭以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭。錐形共振盤：提高發(fā)生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。a）

超聲放射器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3/9/20238第四章非電量的電測(cè)技術(shù)四、超聲波傳感器的應(yīng)用當(dāng)超聲放射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲放射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。反射透射3/9/20239第四章非電量的電測(cè)技術(shù)1、超聲波流量計(jì)F1放射的超聲波先到達(dá)T13/9/202310第四章非電量的電測(cè)技術(shù)測(cè)量流量原理時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的確定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波放射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。3/9/202311第四章非電量的電測(cè)技術(shù)在t1、t2時(shí)間內(nèi)，分別對(duì)頻率為f0的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，記得脈沖數(shù)為N1、N2：3/9/202312第四章非電量的電測(cè)技術(shù)3/9/202313第四章非電量的電測(cè)技術(shù)超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用3/9/202314第四章非電量的電測(cè)技術(shù)同學(xué)們是否留意：當(dāng)一輛汽車響著喇叭從你身邊疾駛而過(guò)時(shí)，喇叭的音調(diào)會(huì)由高變低，似乎汽車駛來(lái)的時(shí)候唱著音符“1”，離開的時(shí)候就唱音符“7”了。1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁閑逛時(shí)就留意到了類似的現(xiàn)象，他經(jīng)過(guò)細(xì)致的探討，發(fā)覺(jué)波源和視察者相互靠近或者相互遠(yuǎn)離時(shí)，視察到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變更，并且做出了說(shuō)明，人們把這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。－1－－7－2、超聲波多普勒測(cè)量車速3/9/202315第四章非電量的電測(cè)技術(shù)模擬試驗(yàn)讓一隊(duì)人沿街行走，視察者站在街旁不動(dòng)，每秒有9個(gè)人從他身邊通過(guò)（圖甲）。這種狀況下的“過(guò)人頻率”是9人／秒；假如視察者逆著隊(duì)伍行走，每秒和視察者相遇的人數(shù)增加，也就是頻率增加（圖乙）；反之，假如視察者順著隊(duì)伍行走，頻率降低（圖丙）。

甲乙丙3/9/202316第四章非電量的電測(cè)技術(shù)超聲波狀況相像當(dāng)波源和視察者相對(duì)靜止時(shí)，1s內(nèi)通過(guò)視察者的波峰（或密部）的數(shù)目是確定的，視察到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率；當(dāng)波源和視察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，1S內(nèi)通過(guò)視察者的波峰（或密部）的數(shù)目增加，視察到的頻率增加；反之，當(dāng)波源和視察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，視察到的頻率變小。3/9/202317第四章非電量的電測(cè)技術(shù)交通警向行進(jìn)中的車輛放射頻率已知的超聲波，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，依據(jù)反射波頻率變更的多少就能知道車輛的速度。3/9/202318第四章非電量的電測(cè)技術(shù)3、超聲波測(cè)量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲放射器和接收器，依據(jù)超聲波的來(lái)回時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。3/9/202319第四章非電量的電測(cè)技術(shù)c：超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度。由此可見(jiàn)，只要知道超聲波速度，就對(duì)以通過(guò)精確地測(cè)量時(shí)間t的方法來(lái)精確測(cè)量距離L。聲速c在各種不同的液體中是不同的。即使在同一種液體中，由于溫度和壓力不同，其值也不相同。由于液體中其它成分的存在及溫度的不勻整都會(huì)使c發(fā)生變更，引起測(cè)量誤差，故在精密測(cè)量時(shí)，要考慮實(shí)行補(bǔ)償措施。3/9/202320第四章非電量的電測(cè)技術(shù)超聲波測(cè)量液位和物位喇叭形超聲發(fā)生器3/9/202321第四章非電量的電測(cè)技術(shù)4、穿透法探傷：依據(jù)超聲波