傳感器知識(shí) 第10章 超聲波傳感器1學(xué)習(xí)資料

第10章超聲波傳感器

振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。16~2×104Hz

，能為人耳所聞的機(jī)械波——聲波低于16Hz的機(jī)械波——次聲波高于2×104Hz的機(jī)械波——超聲波3×108~3×1011Hz之間的波——微波

圖10-14聲波的頻率范圍圖聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽(tīng)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)。2.可聞聲波美妙的音樂(lè)可使人陶醉。3.超聲波蝙蝠依靠超聲波捕食超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。超聲波霧化器超聲波加濕器超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。10.1.1超聲波的波型及其傳播速度1、根據(jù)聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，分為：①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；

③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。?）在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系：橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%；（2）氣體中縱波聲速為344m/s；（3）液體中縱波聲速在900～1900m/s。

2、超聲波的傳播速度蒸餾水溫度在0～100℃范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化。在74℃時(shí)達(dá)到最大值。表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化表10-10～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化10.1.2超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射,另一部分折射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。反射：α＝α′折射：入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即10.1.3超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。α是頻率的函數(shù)電平取自然對(duì)數(shù)時(shí)的單位。常用n表示。常用于電信網(wǎng)絡(luò)，作為放大或衰減的單位。10.2超聲波傳感器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。超聲波探頭的分類：按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。（1）壓電式超聲波發(fā)生器

----利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度有關(guān)。

壓電式超聲波發(fā)送傳感器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的超聲波。超聲頻電信號(hào)換能器

(2)磁致伸縮超聲波發(fā)生器

-----利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬(wàn)Hz以內(nèi)，但聲強(qiáng)可達(dá)幾千W/cm2。它與壓電式的發(fā)送器比較，所產(chǎn)生的超聲波的頻率較低，而強(qiáng)度則大許多。鎳、鐵鈷釩合金等T/R40-16超聲波傳感器當(dāng)40KH的脈沖電信號(hào)輸入后，由壓電陶瓷激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)錐形輻射器將信號(hào)向外發(fā)射。傳感器外形1.超聲波探傷主要用于檢測(cè)板材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可以測(cè)量材料的厚度。

穿透法探傷當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，在缺陷處能量被反射，到達(dá)接收探頭的能量損失了一部分。10.3超聲波傳感器應(yīng)用反射法探傷當(dāng)工件內(nèi)部無(wú)缺陷時(shí)，超聲波傳到工件底面再反射回來(lái)；當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，超聲波傳到缺陷就反射回來(lái)；不同缺陷會(huì)造成不同的接收波幅度和周期。

2.超聲波測(cè)厚度

只要測(cè)量出超聲波脈沖通過(guò)工件的時(shí)間t,經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路就可以直接讀出工件的厚度。。厚度計(jì)算:手持式超聲波測(cè)厚儀超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚3.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(kāi)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。傳感器分類：?jiǎn)螕Q能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器。傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。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)中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射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。衰減小衰減大(b)超聲波在空氣中傳播(a)超聲波在液體中傳播對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到接收的時(shí)間為式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對(duì)于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為2s，式中：s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。10.3.2超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測(cè)定方法很多，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法等。目前應(yīng)用較廣的是超聲波傳播時(shí)間差法。

原理：超聲波在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，可以計(jì)算出流體的流量。設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，由于c>>v,則忽略超聲波傳感器安裝位置一超聲波傳感器安裝位置二超聲波的傳輸時(shí)間：超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(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。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。超聲波捕魚(yú)機(jī)工作原理：利用超聲波對(duì)魚(yú)、鱉等水中一切冷血?jiǎng)游锏男呐K和腦部神經(jīng)擊昏缺氧，快速大面積浮出水面，達(dá)到最佳捕捉效果，并能將深層的動(dòng)物擊昏即浮出水面任意捕撈（過(guò)5分鐘后復(fù)活），捕大留小