超聲波傳感器（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)8.1霍爾傳感器任務(wù)8.2壓電傳感器項(xiàng)目8其他類型的傳感器任務(wù)8.3超聲波傳感器任務(wù)8.4光纖、紅外、激光傳感器超聲波傳感器是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的聲電轉(zhuǎn)換裝置，習(xí)慣上又稱為超聲波轉(zhuǎn)換器或超聲波探頭。它是利用超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理特性工作的。8.3超聲波傳感器

次聲波

分類可聞聲波

超聲波聲波次聲波

頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz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)。頻率20Hz—20KHz可聞聲波頻率高于20KHz

蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波依靠超聲波捕食超聲波當(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)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。聲波超聲波傳感器概述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超聲波換能器、探測(cè)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,而以壓電式最為常用。

超聲波傳感器概述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)來(lái)工作的。

超聲波傳感器概述超聲波傳感器有發(fā)射、接收兩部分發(fā)射元件—利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。接收元件—利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前市場(chǎng)銷售的超聲波傳感器產(chǎn)品，通常標(biāo)有諧振中心頻率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。

超聲波傳感器的工作原理典型外形及符號(hào)利用壓電效應(yīng)的原理制成，是利用了逆壓電效應(yīng)，即施加如40KHz高頻電壓，壓電片根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)或縮短，于是發(fā)射頻率是40KHz的超聲波。經(jīng)被測(cè)物反射后接收器接受，再利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換成電荷，經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，記錄或顯示結(jié)果。壓電式超聲波探頭的結(jié)構(gòu)圖超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示,主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)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。壓電晶片的兩面鍍有銀層,作導(dǎo)電的極板。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。超聲波探頭超聲波探頭實(shí)物圖超聲波傳感器的特性1、頻率特性：發(fā)射與接受的靈敏度都以中心頻率向兩邊逐漸降低。在使用中，一定用接近中心頻率的交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器。產(chǎn)品通常標(biāo)有諧振中心頻率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。2、超聲波傳感器的指向性：超聲波的指向性為超聲波能量集中在一定區(qū)域并向一個(gè)方向輻射的現(xiàn)象。頻率越高，指向角越小，越適合檢測(cè)。3、超聲波傳感器的溫度特性：一般說(shuō)溫度越高，中心頻率、靈敏度、輸出聲壓電平越低。寬范圍環(huán)境溫度使用時(shí)，需溫度補(bǔ)償。超聲波傳感器的特性應(yīng)用：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。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器,而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。

幾種超聲波物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖應(yīng)用：超聲波物位傳感器上圖給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置水中,讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小,所以即使發(fā)生的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方,讓超聲波在空氣中傳播,這種方式便于安裝和維修,但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器的時(shí)間為：（h為液體深度）h—換能器距液面的距離

v—超聲波在介質(zhì)中傳播的速度應(yīng)用：超聲波物位傳感器對(duì)于雙換能器來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過(guò)的路程為2s,而s=因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2式中:s—超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離;a—兩換能器間距之半。

應(yīng)用：超聲波物位傳感器從以上公式中可以看出,只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間,便可以求得待測(cè)的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),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。在一般使用條件下,它的測(cè)量誤差為±0.1%,檢測(cè)物位的范圍為10-2～104m。

應(yīng)用：超聲波物位傳感器探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度

：

應(yīng)用：超聲波測(cè)厚度超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚

某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)

顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C~40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）紙卷直徑檢測(cè)疊放高度測(cè)量透明塑料張力控制超聲波傳感器在線測(cè)量質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè)物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)

流水線計(jì)數(shù)超聲防盜報(bào)警器圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移

f。（如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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)象叫做多普勒效應(yīng)。）多普勒效應(yīng)：聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高,而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低。如：當(dāng)一輛救護(hù)車迎面駛來(lái)的時(shí)候，聽到聲音越來(lái)越高；而車離去的時(shí)候聲音越來(lái)越低。超聲波用于高效清洗當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”。超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲換能器氣泡波浪清洗物超聲波用于高效清洗無(wú)損探傷人們?cè)谑褂酶鞣N材料（尤其是金屬材料）的長(zhǎng)期實(shí)踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來(lái)許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛機(jī)、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。路軌斷裂事故無(wú)損探傷的方法對(duì)缺陷的檢測(cè)手段有破壞性試驗(yàn)和無(wú)損探傷。由于無(wú)損探傷以不損壞被檢驗(yàn)對(duì)象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無(wú)損檢測(cè)的方法：鐵磁材料采用磁粉檢測(cè)法導(dǎo)電材料采用電渦流法非導(dǎo)電材料采用熒光染色滲透法

放射線（x光、中子）照相檢測(cè)法超聲波探傷法

表面探傷內(nèi)部探傷磁粉檢測(cè)法磁懸液磁粉檢測(cè)儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測(cè)頭夾持在被測(cè)工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來(lái)。X光探傷將x光發(fā)生器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置，將感光片貼在物體背面，人離開后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷.超聲波探傷超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損探傷手段。它既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷，這是X光探傷所達(dá)不到的深度。A型超聲探傷反射波形裂紋超聲波探傷分類（1）A型超聲探傷:A型探傷的結(jié)果以二維坐標(biāo)圖形式給出。它的橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為反射波強(qiáng)度?？梢詮亩S坐標(biāo)圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較難識(shí)別缺陷的性質(zhì)、類型。（2）B型超聲探傷:B型超聲探傷的原理類似于醫(yī)學(xué)上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標(biāo)，探傷深度作為縱坐標(biāo)，以屏幕的輝度（亮度）來(lái)反映反射波的強(qiáng)度。它可以繪制被測(cè)材料的縱截面圖形。

超聲波探傷分類（3）C型超聲探傷:目前發(fā)展最快的是C型探傷，它類似于醫(yī)學(xué)上的CT掃描原理。計(jì)算機(jī)控制探頭中的三維晶片陣列（面陣），使探頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內(nèi)部缺陷的橫截面圖，這個(gè)橫截面與掃描聲束相垂直。橫截面圖上各點(diǎn)的反射波強(qiáng)通過(guò)相對(duì)應(yīng)的幾十種顏色，在計(jì)算機(jī)的高分辨率彩色顯示器上顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個(gè)斷面的切片圖像。B型超聲探傷—超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用

胎兒的B超影像CT（電子計(jì)算機(jī)斷層掃描）CT全稱為電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（ComputedTomography），它是利用X射線對(duì)人體進(jìn)行體層檢查。CT檢查可以這么理解：X線的掃描等于把人體壓成一張薄薄的紙來(lái)觀察，但是只有一個(gè)方向，CT就是把人切成一個(gè)個(gè)薄片，相當(dāng)于多層的X線掃描。鋼軌探傷車滑板式探頭高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測(cè)用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）超聲探傷儀構(gòu)件的超聲探傷A型超聲波探傷應(yīng)用起始波缺陷反射波底波工件缺陷A型超聲波探傷演示A型探傷超聲探傷的計(jì)算設(shè)：顯示器的x軸為10

s/div(格)，現(xiàn)測(cè)得B波與T波的距離為6格，F(xiàn)波與T波的距離為2格。已知縱波在鋼板中的聲速CL=5.9×103m/s。求：1）t

及tF；