超声波传感器PPT课件

1、10.1 10.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质10.2 10.2 超声波传感器超声波传感器10.3 10.3 应用应用 10.1 10.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质波动波动: :振动在弹性介质内的传播。振动在弹性介质内的传播。声波声波: :频率在频率在16-216-210104 4 hz hz之间之间, , 能为人耳所闻的机能为人耳所闻的机 械波械波. . 次声波次声波: :低于低于16 hz16 hz的机械波的机械波. . 超声波超声波: :高于高于2 210104 4 hz hz的机械波。的机械波。 1.1.次声次声波次声波次声波是频率低于是频率低于1616赫兹的声波

2、，人耳听不到，但赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，可与人体器官发生共振，7-8hz7-8hz的次声波会引起人的的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。2.2.可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。3.3.超声波超声波蝙蝠能发蝙蝠能发出和听见出和听见超声波。超声波。压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。能用于集成电路及塑料的焊接。 超声波塑料超声波塑

3、料焊接机焊接机超声波金丝超声波金丝焊接机焊接机超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，类似于光波。象，类似于光波。便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用 胎儿的胎儿的 b b超影像超影像超声波清洗器超声波清洗器超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物超声波物理基础超声波物理基础 频率高于频率高于20khz20khz的机械振动波称为超声波。的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本它的指向性很好

4、，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。场指向性就愈好。 10.1.1 10.1.1 波形及其转换波形及其转换 有有: : 纵波纵波质点振动方向与波的传播方向质点振动方向与波的传播方向一致一致的波的波; ; 横波横波质点振动方向垂直于质点振动方向垂直于传播方向传播方向的波的波; ; 表面波表面波质点的振动介于横波

5、与纵波之间，质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表面传播的波。沿着表面传播的波。 纵纵波波横波横波 表面波表面波横波横波只能在固体中传播，只能在固体中传播，纵波纵波能在固体、液体和气体中传播能在固体、液体和气体中传播, , 表面波表面波随深度增加衰减很快。随深度增加衰减很快。 10.1.2 10.1.2 反射和折射反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质声波从一种介质传播到另一种介质, , 在两个介质的在两个介质的分界面上一部分声波被分界面上一部分声波被反射反射; ; 另一部分透射过界面另一部分透射过界面, , 在另一种介质内部继续传播在另一种介质内部继续传播_ _折射折射。 当波在界面上产生

6、当波在界面上产生反射反射时时, , 入射角入射角的正弦与反射角的正弦与反射角的正弦之比的正弦之比等于波速之比等于波速之比。 波在界面处产生波在界面处产生折射折射时时, , 入射角入射角的正弦与折的正弦与折射角的正弦之比射角的正弦之比, , 等于入射波在第一介质中的等于入射波在第一介质中的波速波速c c1 1与折射波在第二介质中的波速与折射波在第二介质中的波速c c2 2之比之比, , 即即21sinsincca10.1.3 10.1.3 超声波的衰减超声波的衰减声波在介质中传播时声波在介质中传播时, , 随着传播距离的增加随着传播距离的增加, , 能量能量逐渐衰减逐渐衰减, , 其其声压声压和

7、和声强声强的衰减规律为的衰减规律为 p px x=p=p0 0e e-x-x i ix x=i=i0 0e e-2x-2x 能量的衰减决定于声波的扩散、能量的衰减决定于声波的扩散、 散射和吸收散射和吸收, , 不同超声波传感器不同超声波传感器工作方式工作方式 c)c)反射式反射式 a）兼用型）兼用型专用型专用型b)直射式直射式各种超声波传感器 产品超声波传感器结构超声波传感器结构10.2 10.2 超声波传感器超声波传感器超声波换能器、超声波换能器、 探测器或传感器探测器或传感器 超声波探头超声波探头可分为可分为压电式压电式、 磁致伸缩式磁致伸缩式、 电磁式电磁式等等. .各种超声波探头各种超

8、声波探头常用频率范围：常用频率范围：0.50.510mhz10mhz，常见晶片直径：常见晶片直径：5 530mm30mm接触式直探头接触式直探头（纵波垂直入（纵波垂直入射到被检介质）射到被检介质） 外壳用金属外壳用金属制作，保护膜用制作，保护膜用硬度很高的耐磨硬度很高的耐磨材料制作，防止材料制作，防止压电晶片磨损。压电晶片磨损。 保护膜保护膜接插件接插件接触式接触式 直探头原理直探头原理超声脉冲电压输入端超声脉冲电压输入端 接地端接地端接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如3030

9、、4545 等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1-5mhz1-5mhz接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合装配将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收发射超声波，另一片接收超

10、声波。两晶片之间用一超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直接收的控制电路较单晶直探头简单。探头简单。 发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围：焦距范围：5-40mm, 5-40mm, 频率范围：频率范围：2.5-2.5-5mhz5mhz，钢中折射角：，钢中折射角：4545 -70-70 接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续） 水浸探头

11、水浸探头 选择声透镜形选择声透镜形状，可决定聚状，可决定聚焦形式为点聚焦形式为点聚焦或线聚焦。焦或线聚焦。超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。压电陶瓷的主要性能指标压电陶瓷的主要性能指标 1) 1) 介电常数介电常数 ：1

126000 2) 2) 压电灵敏度压电灵敏度d33 d33 ：300-600pc/n300-600pc/n 3) 3) 机械品质因素机械品质因素q q：100-2000100-2000 4) 4) 居里温度：居里温度：300-400300-400 c c 5 5）静电容：）静电容：1000 - 100000pf1000 - 100000pf（与面积有（与面积有关）关） 6 6）频率范围：）频率范围： 用于超声清洗：用于超声清洗：30-100khz30-100khz 用于探伤仪及流量计：用于探伤仪及流量计：2.5-5mhz2.5-5mhz 用于雾化器：用于雾化器：1-2m

13、hz1-2mhz空气超声探头（续）空气超声探头（续） 空气超声探头外形空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气超声探头外形（续）空气传导超声波电脉冲发生器空气传导超声波电脉冲发生器超声波探头超声波探头, ,主要由主要由压电晶片、压电晶片、 吸收块（阻尼块）吸收块（阻尼块）、 保护膜组成。保护膜组成。超声波频率超声波频率f f与其厚度与其厚度成反比成反比。10.3 10.3 应用应用 10.3.1 10.3.1 物位传感器物位传感器利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的成的。 从发射超声脉冲开始从发射超声脉冲开始, , 到接收换能器接收到反

14、射波到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知为止的这个时间间隔为已知, , 可以求出分界面的位可以求出分界面的位置置, , 这种方法可以对物位进行测量。这种方法可以对物位进行测量。 根据发射和接收换能器的功能根据发射和接收换能器的功能, , 分为分为单换能器和单换能器和双换能器双换能器。 单换能器单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器换能器, , 双换能器双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担的传感器发射和接收各由一个换能器担任。任。 对于单换能器来说对于单换能器来说, , 超声波从发射到液面超声波从发射到液面, , 又从液又从液面反射到

15、换能器的时间为面反射到换能器的时间为 vht22vth对于双换能器来说对于双换能器来说, , 超声波从发射到被接收经过的超声波从发射到被接收经过的路程为路程为2s, 2s, 而而 s = 液位高度为液位高度为 h = （s2-a2）1/2 只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间, , 便便可以求得待测的物位可以求得待测的物位。 2vt 10.3.2 10.3.2 流量传感器流量传感器超声波流量传感器超声波流量传感器: :如如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法动听声法等。等。 超声波在流体中传

16、输时超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的体中的传输速度是不同的, , 利用这一特点可以利用这一特点可以求出流体的速度求出流体的速度, , 再根据管道流体的截面积再根据管道流体的截面积, , 便可知道流体的流量。便可知道流体的流量。 在流体中设置两个超声波传感器在流体中设置两个超声波传感器, , 它们可以发它们可以发射超声波又可以接收超声波射超声波又可以接收超声波, , 一个装在上游一个装在上游, , 一个装在下游一个装在下游, , 其距离为其距离为l l。 如设顺流方向的传输时间为如设顺流方向的传输时间为t t1 1, , 逆流方向的传逆流方向的传

17、输时间为输时间为t t2 2, , 流体静止时的超声波传输速度为流体静止时的超声波传输速度为c, c, 流体流动速度为流体流动速度为v, v, 则则 t1 = t2 = 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, , 超声波传播超声波传播时间差时间差为为vclvcl t = t2-t1= 由于由于c v, c v, 从上式便可得到流体的流速从上式便可得到流体的流速, , 即即 v = 222vclvtlc22 在实际应用中在实际应用中, , 超声波传感器安装在管道的外超声波传感器安装在管道的外部部, , 从管道的外面透过管壁发射和接收超声波从管道的外面透

18、过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。不会给管路内流动的流体带来影响。超声波测厚超声波测厚 超声波测密度原理示意图超声波测密度原理示意图 超声防盗报警器电原理框图超声防盗报警器电原理框图穿透法探伤结构图穿透法探伤结构图 反射法探伤结构图反射法探伤结构图 表面波探伤表面波探伤 超声波诊断仪原理框图超声波诊断仪原理框图 (1)(1)可不影响流体流动来测量流速。可不影响流体流动来测量流速。 (2)(2)只要是能传播超声波的流体，都能够测量，只要是能传播超声波的流体，都能够测量，它可测量高粘度流体，非电导流体和气体等流它可测量高粘度流体，非电导流体和气体等流速。速。 (3)(3)应用范

19、围广，例如可测血液流速，可测河流应用范围广，例如可测血液流速，可测河流等流速。等流速。 (4)(4)对超声波能透过的流管，还可以进行管外测对超声波能透过的流管，还可以进行管外测管内流体的流速管内流体的流速. .超声波流量传感器的特点超声波流量传感器的特点: :超声波探头结构超声波探头结构 动画演示动画演示各种超声波测厚传感器 超声波测流量 超声波频谱分析 超声波探伤传感器 医学超声波检测 超声波测液位 其它应用其它应用 当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为这种类型称为透射型透射型； 透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。透射型可

20、用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型反射型； 反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。金属探伤以及测厚等。 超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测叠放高度测量叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测物件放置

21、错误检测超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制透明塑料张力控制机械手定位机械手定位超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测纸卷直径检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）平整度测量平整度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超长距离检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）流水线计数流水线计数超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）一、超声波流量计一、超声波流量计 f f1 1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 t t1 1f1发射的超声波到达发射的超声波到达 f2的

22、时间较短的时间较短 发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧同侧式超声波流量计的使用同侧式超声波流量计的使用 超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形喇叭形 超声发生器超声发生器无损探伤无损探伤 无损探伤的基本概念无损探伤的基本概念 人们在使用各种材料人们在使用各种材料（尤其是金属材料）