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超聲波傳感器超聲波傳感器的特性第1頁(yè)測(cè)距離超聲波傳感器的特性第2頁(yè)超聲波傳感器的特性第3頁(yè)測(cè)料位超聲波傳感器的特性第4頁(yè)測(cè)流量超聲波傳感器的特性第5頁(yè)無(wú)損探傷超聲波傳感器的特性第6頁(yè)B-scanultrasoundimagingtechnology超聲波傳感器的特性第7頁(yè)測(cè)厚度超聲波傳感器的特性第8頁(yè)美國(guó)維吉尼亞級(jí)潛艇超聲波傳感器的特性第9頁(yè)超聲波傳感器的特性第10頁(yè)超聲波傳感器特征超聲波概述超聲波傳感器種類超聲波傳感器工作原理超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器特征超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器的特性第11頁(yè)(一)超聲波概述聲音實(shí)質(zhì)機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中傳輸。(聲速,波長(zhǎng),頻率)超聲波傳感器的特性第12頁(yè)超聲波波型及其傳輸速度當(dāng)聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳輸方向不一樣時(shí),聲波波型也不一樣。通常有:①縱波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳輸方向一致波,它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳輸;②橫波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳輸方向波,它只能在固體介質(zhì)中傳輸;③表面波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于橫波與縱波之間,沿著介質(zhì)表面?zhèn)鬏?,其振幅隨深度增加而快速衰減波,表面波只在固體表面?zhèn)鬏敗3暡▊鞲衅鞯奶匦缘?3頁(yè)超聲波傳感器的特性第14頁(yè)超聲波傳輸速度與介質(zhì)密度和彈性特征相關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳輸時(shí),因?yàn)椴淮嬖诩羟袘?yīng)力,所以僅有縱波傳輸,其傳輸速度c為式中:ρ——介質(zhì)密度;
Ba——絕對(duì)壓縮系數(shù)。上述ρ、Ba都是溫度函數(shù),所以超聲波在介質(zhì)中傳輸速度隨溫度改變而變化。聲速隨溫度增加而減小。超聲波傳感器的特性第15頁(yè)另外,水質(zhì)、壓強(qiáng)也會(huì)引發(fā)聲速改變。在固體中,縱波、橫涉及其表面波三者聲速有一定關(guān)系,通??烧J(rèn)為橫波聲速為縱波二分之一,表面波聲速為橫波聲速90%。氣體中縱波聲速為344m/s,液體中縱波聲速在900~1900m/s。超聲波傳感器的特性第16頁(yè)聲波頻率超聲波傳感器的特性第17頁(yè)1830年法國(guó)Savart音調(diào)極限試驗(yàn):存在聽(tīng)不到聲音超聲波傳感器的特性第18頁(yè)次聲超聲可聽(tīng)聲超聲是頻率大于兩萬(wàn)赫茲聲波。超聲波傳感器的特性第19頁(yè)鐵絲直徑小于0.07mm碰撞鐵絲直徑大于0.34mm不碰撞蝙蝠飛行本事回音定位超聲波傳感器的特性第20頁(yè)超聲波反射和折射由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí),入射角α正弦與反射角α′正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí),入射角α正弦與折射角β正弦之比,等于入射波在第一介質(zhì)中波速c1與折射波在第二介質(zhì)中波速c2之比,即超聲波傳感器的特性第21頁(yè)超聲波衰減
聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí),伴隨傳輸距離增加,能量逐步衰減,其衰減程度與聲波擴(kuò)散、散射及吸收等原因相關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)衰減規(guī)律為式中:Px、Ix——距聲源x處聲壓和聲強(qiáng);
x——聲波測(cè)量點(diǎn)與聲源間距離;
α——衰減系數(shù),單位為Np/cm(奈培/厘米)。超聲波傳感器的特性第22頁(yè)聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí),能量衰減決定于聲波擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中,聲波衰減僅來(lái)自于聲波擴(kuò)散,即隨聲波傳輸距離增加而引發(fā)聲能減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí),固體介質(zhì)中顆粒界面或流體介質(zhì)中懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射,其中一部分聲能不再沿原來(lái)傳輸方向運(yùn)動(dòng),而形成散射。散射衰減與散射粒子形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)性質(zhì)和散射粒子性質(zhì)相關(guān)。吸收衰減是因?yàn)榻橘|(zhì)粘滯性,使超聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦,從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能,經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換,造成聲能損耗。超聲波傳感器的特性第23頁(yè)(二)超聲波傳感器原理及結(jié)構(gòu)
利用超聲波在超聲場(chǎng)中物理特征和各種效應(yīng)而研制裝置稱為超聲波傳感器、探測(cè)器或換能器,也稱為探頭。超聲波是一個(gè)振動(dòng)頻率高于聲波機(jī)械波,由換能材料在電壓激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生,它含有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小,尤其是方向性好、能夠成為射線而定向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體穿透本事很大,尤其是在陽(yáng)光不透明固體中,它可穿透幾十米深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波,碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。所以超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器的特性第24頁(yè)超聲波傳感器的特性第25頁(yè)壓電式超聲波傳感器基本工作原理
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,其中以壓電式最為慣用。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(yīng)來(lái)工作。壓電效應(yīng)有正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。
超聲波發(fā)送器是利用逆向壓電效應(yīng)制成——即在壓電元件上施加電壓,元件就變形(也稱應(yīng)變)引發(fā)空氣振動(dòng)產(chǎn)生超聲波,超聲波以疏密波形式傳輸,傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用正向壓電效應(yīng)制成——即接收到超聲波促使接收器振子伴隨對(duì)應(yīng)頻率進(jìn)行振動(dòng),因?yàn)榇嬖谡驂弘娦?yīng),就產(chǎn)生與超聲波頻率相同高頻電壓。當(dāng)然這種電壓非常小,必須采取放大器進(jìn)行放大。超聲波傳感器的特性第26頁(yè)超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所表示,它主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護(hù)膜、引線等組成。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(dǎo)電極板。阻尼塊作用:降低晶片機(jī)械品質(zhì),吸收聲能量。假如沒(méi)有阻尼塊,當(dāng)激勵(lì)電脈沖信號(hào)停頓時(shí),晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩,加長(zhǎng)超聲波脈沖寬度,使分辨率變差。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的特性第27頁(yè)基座雙壓電陶瓷晶片錐形振子屏蔽柵外殼空氣中用超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如右圖所表示,采取雙壓電陶瓷晶片結(jié)構(gòu)。將雙壓電陶瓷晶片固定安裝在基座上,為了增強(qiáng)其效果,在壓電晶片上面加裝了錐形振子,最終將其裝在金屬殼體中并伸出兩根引線。發(fā)送超聲波時(shí),圓錐形振子有較強(qiáng)方向性,因而能高效率地發(fā)送超聲波;接收超聲波時(shí),超聲波振動(dòng)集中于振子中心,所以能產(chǎn)生高效率高頻電壓。超聲波傳感器的特性第28頁(yè)(三)超聲波傳感器特征
3.1頻率特征接收超聲波發(fā)送超聲波超聲波傳感器的特性第29頁(yè)3.2指向性特征超聲波傳感器的特性第30頁(yè)3.3溫度特征3.4阻抗特征阻抗頻率并聯(lián)諧振串聯(lián)諧振超聲波傳感器的特性第31頁(yè)通常發(fā)送傳感器工作于輸出最大串聯(lián)諧振頻率,而接收傳感器工作于接收靈敏度最高并聯(lián)諧振頻率;經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)覺(jué),發(fā)送傳感器串聯(lián)諧振頻率與接收傳感器并聯(lián)諧振頻率幾乎一致。所以超聲波傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí),都是在諧振頻率附近使用。超聲波接收頭必須采取與發(fā)射頭對(duì)應(yīng)型號(hào),關(guān)鍵是諧振頻率要一致,不然將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果,甚至無(wú)法接收。另外,超聲波傳感器含有高阻特征,驅(qū)動(dòng)電流小,要求驅(qū)動(dòng)電壓較高,是電壓驅(qū)動(dòng)型傳感器。
超聲波傳感器的特性第32頁(yè)1、工作頻率。工作頻率就是壓電晶片共振頻率。當(dāng)加到它兩端交流電壓頻率和晶片共振頻率相等時(shí),輸出能量最大,靈敏度也最高。2、工作溫度。因?yàn)閴弘姴牧暇永稂c(diǎn)普通比較高,尤其時(shí)診療用超聲波探頭使用功率較小,所以工作溫度比較低,能夠長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用超聲探頭溫度比較高,需要單獨(dú)制冷設(shè)備。3、靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大,靈敏度高;反之,靈敏度低。3.5性能指標(biāo)超聲波傳感器的特性第33頁(yè)超聲波傳感器-性能參數(shù)超聲波傳感器的特性第34頁(yè)(四)超聲波傳感器應(yīng)用
1.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)分界面上反射特征而制成。假如從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始,到接收換能器接收到反射波為止這個(gè)時(shí)間間隔為已知,就能夠求出分界面位置,利用這種方法能夠?qū)ξ镂贿M(jìn)行測(cè)量。依據(jù)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。超聲波傳感器的特性第35頁(yè)幾個(gè)超聲物位傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖(a)超聲波在液體中傳輸;(b)超聲波在空氣中傳輸超聲波傳感器的特性第36頁(yè)上圖給出了幾個(gè)超聲物位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中,讓超聲波在液體介質(zhì)中傳輸,如圖(a)所表示。因?yàn)槌暡ㄔ谝后w中衰減比較小,所以即使發(fā)射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,如圖(b)所表示。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。超聲波傳感器的特性第37頁(yè)對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射器到液面,又從液面反射到換能器時(shí)間為則式中:h——換能器距液面距離;
c——超聲波在介質(zhì)中傳輸速度。超聲波傳感器的特性第38頁(yè)對(duì)于如圖(b)所表示雙換能器,超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)旅程為2s,而所以液位高度為式中:s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器距離;
a——兩換能器間距之半。超聲波傳感器的特性第39頁(yè)從以上公式中能夠看出,只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收時(shí)間間隔,便能夠求得待測(cè)物位。超聲物位傳感器含有精度高和使用壽命長(zhǎng)特點(diǎn),但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng),便會(huì)產(chǎn)生較大誤差。在普通使用條件下,它測(cè)量誤差為±0.1%,檢測(cè)物位范圍為10-2~104m。超聲波傳感器的特性第40頁(yè)測(cè)料位超聲波傳感器的特性第41頁(yè)2.超聲波流量傳感器
超聲波流量傳感器測(cè)定方法是多樣,如傳輸速度改變法、波速移動(dòng)法、多普勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽(tīng)聲法等。但當(dāng)前應(yīng)用較廣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)流體中傳輸速度是不一樣,利用這一特點(diǎn)能夠求出流體速度,再依據(jù)管道流體截面積,便可知道流體流量。超聲波傳感器的特性第42頁(yè)假如在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器,它們既能夠發(fā)射超聲波又能夠接收超聲波,一個(gè)裝在上游,一個(gè)裝在下游,其距離為L(zhǎng),如圖所表示。如設(shè)順流方向傳輸時(shí)間為t1,逆流方向傳輸時(shí)間為t2,流體靜止時(shí)超聲波傳輸速度為c,流體流動(dòng)速度為v,則超聲波傳感器的特性第43頁(yè)所以超聲波傳輸時(shí)間差為普通來(lái)說(shuō),流體流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中傳輸速度,即c>>v,從上式便可得到流體流速,即超聲波傳感器的特性第44頁(yè)圖2超聲波傳感器安裝位置超聲波傳感器的特性第45頁(yè)此時(shí)超聲波傳輸時(shí)間將由下式確定:超聲波傳感器的特性第46頁(yè)超聲波流量傳感器含有不妨礙流體流動(dòng)特點(diǎn),可測(cè)流體種類很多,不論是非導(dǎo)電流體、高粘度流體,還是漿狀流體,只要能傳輸超聲波流體都能夠進(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。還適合用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速測(cè)量。超聲波傳感器的特性第47頁(yè)測(cè)流量超聲波傳感器的特性第48頁(yè)無(wú)損探傷超聲波傳感器的特性第49頁(yè)測(cè)距離超聲波傳感器的特性第50頁(yè)測(cè)厚度超聲波傳感器的特性第51頁(yè)超聲波傳感器的特性第52頁(yè)超聲波傳感器的特性第53頁(yè)超聲波傳感器-檢測(cè)好壞超聲波傳感器用萬(wàn)用表直接測(cè)試是沒(méi)有什么反應(yīng)。要想測(cè)試超聲波傳感器好壞能夠搭一個(gè)音頻振蕩電路,當(dāng)C1為3900μF時(shí),在反相器⑧腳與⑩腳間可產(chǎn)生一個(gè)1.9kHz左右音頻信號(hào)。把要檢測(cè)超聲波傳感器(發(fā)射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;假如傳感器能發(fā)出音頻聲音,基本就能夠確定比超聲波傳感器是好。注:C1=3900μF時(shí),為1.9kHZ左右;C1=0.01μF時(shí),約0.76kHZ。超聲波傳感器的特性第54頁(yè)超聲波傳感器選型
普通市售超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種:專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波,接收器用作接收超聲波;兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器,即可發(fā)送超聲波,又可接收超聲波。超聲波傳感器諧振頻率(即壓電元件中心頻率)為23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鬏敃r(shí)衰減很大,衰減程度與頻率成正比,不過(guò)諧振頻率越高則分辨率也會(huì)越高,則檢測(cè)距離變短,所以短距離測(cè)量時(shí)普通選頻率高傳感器(100kHz以上),長(zhǎng)距離測(cè)距只能選頻率低傳感器。
超聲波傳感器的特性第55頁(yè)超聲波傳感器特征
本系統(tǒng)所使用發(fā)射器和接收器是以中心頻率(或諧振頻率)和直徑為參數(shù)來(lái)劃分:其型號(hào)為T(mén)CT40-16T和TCT40-16R,其中40表示傳感器工作中心頻率(或諧振頻率)為40kHz,16表示傳感器外形直
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