超聲波傳感器原理講述專家講座

10.1超聲涉及其物理性質10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器應用第10章超聲波傳感器返回主目錄超聲波傳感器原理講述專家講座第1頁第10章超聲波傳感器

10.1超聲涉及其物理性質振動在彈性介質內傳輸稱為波動,簡稱波。頻率在16~2×104Hz之間,能為人耳所聞機械波,稱為聲波;低于16Hz機械波,稱為次聲波;高于2×104Hz機械波,稱為超聲波。如圖10-1。當超聲波由一個介質入射到另一個介質時,因為在兩種介質中傳輸速度不一樣,在介質面上會產生反射、折射和波形轉換等現(xiàn)象。超聲波傳感器原理講述專家講座第2頁超聲波傳感器原理講述專家講座第3頁

一、超聲波波形及其轉換因為聲源在介質中施力方向與波在介質中傳輸方向不一樣,聲波波型也不一樣。通常有:①縱波——質點振動方向與波傳輸方向一致波;②橫波——質點振動方向垂直于傳輸方向波;③表面波——質點振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鬏敳āM波只能在固體中傳輸，縱波能在固體、液體和氣體中傳輸,表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下物理量,應多采取縱波?？v波、橫涉及其表面波傳輸速度取決于介質彈性常數及介質密度,氣體中聲速為344m/s,液體中聲速在900~1900m/s。超聲波傳感器原理講述專家講座第4頁當縱波以某一角度入射到第二介質（固體）界面上時,除有縱波反射、折射外,還發(fā)生橫波反射和折射,在某種情況下,還能產生表面波。

二、超聲波反射和折射聲波從一個介質傳輸到另一個介質,在兩個介質分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過界面,在另一個介質內部繼續(xù)傳輸。這么兩種情況稱之為聲波反射和折射,如圖10-2所表示。超聲波傳感器原理講述專家講座第5頁超聲波傳感器原理講述專家講座第6頁由物理學知,當波在界面上產生反射時,入射角α正弦與反射角α′正弦之比等于波速之比。當波在界面處產生折射時,入射角α正弦與折射角正弦之比,等于入射波在第一介質中波速C1與折射波在第二介質中波速C2之比,即

三、超聲波衰減聲波在介質中傳輸時,伴隨傳輸距離增加,能量逐步衰減,其衰減程度與聲波擴散、散射及吸收等原因相關。其聲壓和聲強衰減規(guī)律為Px=P0e-αx

(10-2）Ix=I0e-2αx

(10-3）超聲波傳感器原理講述專家講座第7頁式中:Px、Ix——距聲源x處聲壓和聲強;x——聲波與聲源間距離;α——衰減系數,單位為Np/m（奈培/米）。聲波在介質中傳輸時,能量衰減決定于聲波擴散、散射和吸收,在理想介質中,聲波衰減僅來自于聲波擴散,即隨聲波傳輸距離增加而引發(fā)聲能減弱。散射衰減是固體介質中顆粒界面或流體介質中懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質導熱性、粘滯性及彈性滯后造成,介質吸收聲能并轉換為熱能。超聲波傳感器原理講述專家講座第8頁10.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中物理特征和各種效應而研制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可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等,而以壓電式最為慣用。壓電式超聲波探頭慣用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。它是利用壓電材料壓電效應來工作:逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動,從而產生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而利用正壓電效應,將超聲振動波轉換成電信號,可用為接收探頭。超聲波傳感器原理講述專家講座第9頁超聲波探頭結構如圖10-3所表示,主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜組成。壓電晶片多為圓板形,厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片兩面鍍有銀層,作導電極板。阻尼塊作用是降低晶片機械品質,吸收聲能量。假如沒有阻尼塊,當激勵電脈沖信號停頓時,晶片將會繼續(xù)振蕩,加長超聲波脈沖寬度,使分辨率變差。超聲波傳感器原理講述專家講座第10頁超聲波傳感器原理講述專家講座第11頁10.3超聲波傳感器應用

一、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分界面上反射特征而制成。假如從發(fā)射超聲脈沖開始,到接收換能器接收到反射波為止這個時間間隔為已知,就能夠求出分界面位置,利用這種方法能夠對物位進行測量。依據發(fā)射和接收換能器功效,傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個換能器,而雙換能器傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。超聲波傳感器原理講述專家講座第12頁圖10-4給出了幾個超聲物位傳感器結構示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置水中,讓超聲波在液體中傳輸。因為超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)生超聲脈沖幅度較小也能夠傳輸。超聲波發(fā)射和接收換能器也能夠安裝在液面上方,讓超聲波在空氣中傳輸,這種方式便于安裝和維修,但超聲波在空氣中衰減比較厲害。對于單換能器來說,超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器時間為超聲波傳感器原理講述專家講座第13頁超聲波傳感器原理講述專家講座第14頁式中:h——換能器距液面距離;v——超聲波在介質中傳輸速度。對于雙換能器來說,超聲波從發(fā)射到被接收經過旅程為2s,而s=（10-6）所以液位高度為h=（s2-a2）1/2（10-7）式中:s——超聲波反射點到換能器距離;a——兩換能器間距之半。超聲波傳感器原理講述專家講座第15頁從以上公式中能夠看出,只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收間隔時間,便能夠求得待測物位。超聲物位傳感器含有精度高和使用壽命長特點,但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會有較大誤差。在普通使用條件下,它測量誤差為±0.1%,檢測物位范圍為10-2～104m。

二、超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器測定原理是多樣,如傳輸速度改變法、波速移動法、多普勒效應法、流動聽聲法等。但當前應用較廣主要是超聲波傳輸時間差法。超聲波在流體中傳輸時,在靜止流體和流動流體中傳輸速度是不一樣,利用這一特點能夠求出流體速度,再依據管道流體截面積,便可知道流體流量。超聲波傳感器原理講述專家講座第16頁假如在流體中設置兩個超聲波傳感器,它們能夠發(fā)射超聲波又能夠接收超聲波,一個裝在上游,一個裝在下游,其距離為L。如圖10-5所表示。如設順流方向傳輸時間為t1,逆流方向傳輸時間為t2,流體靜止時超聲波傳輸速度為c,流體流動速度為v,則t1=（10-8）t2=（10-9）普通來說,流體流速遠小于超聲波在流體中傳輸速度,那么超聲波傳輸時間差為超聲波傳感器原理講述專家講座第17頁超聲波傳感器原理講述專家講座第18頁

Δt=t2-t1=（10-10）從上式便可得到流體流速,即v=