超声波传感器实用教案

1、超声波传感器超声波传感器超声波探头超声波探头(tn tu) 、超声波检测的物理(wl)基础 声波声波(shn b)机械振动在弹性介质中的传播。机械振动在弹性介质中的传播。第十一章第十一章 红外和辐射式传感器红外和辐射式传感器1 1）次声波）次声波 次声波是次声波是频率低于频率低于20赫兹的声波赫兹的声波，人耳听不，人耳听不到，但可与人体器官发到，但可与人体器官发生共振，生共振，78Hz的次声的次声波会引起人的恐怖感，波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。心脏停止跳动。第1页/共48页第一页，共49页。超声波检测的物理超声波检测的物理(wl)基础基础 2）可闻

2、声波）可闻声波(shn b)：2020000Hz美妙的音乐(ynyu)使人陶醉 第2页/共48页第二页，共49页。3）超声波：频率）超声波：频率(pnl)大于大于20000Hz蝙蝠蝙蝠(bin f)(bin f)依靠超声波捕食依靠超声波捕食超声波检测的物理超声波检测的物理(wl)基础基础 第3页/共48页第三页，共49页。 频率高于20kHz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（例如钢板与空气的交界面）时，能产生(chnshng)明显的反射和折射现象。(频率为40 kHz的超声波在空气中传播效率最佳)超声波

3、检测的物理超声波检测的物理(wl)基础基础 第4页/共48页第四页，共49页。、超声波产生(chnshng)/接收技术：超声波换能器 超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在本课程中主超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在本课程中主要要(zhyo)(zhyo)介绍压电式。介绍压电式。第十一章第十一章 超声波传感器超声波传感器 以超声波作为检测手段，必须产生以超声波作为检测手段，必须产生(chnshng)(chnshng)超声波和接收超声波超声波和接收超声波使用超声探头使用超声探头( (超声换能超声换能器器) )。第5页/共48页第五页，共49页。 超声

4、波探头主要由压电晶片组成超声波探头主要由压电晶片组成(z chn)，既可以发，既可以发射超声波射超声波(逆压电效应逆压电效应)，也可以接收超声波，也可以接收超声波(正压电效应正压电效应)。 11.2.2 超声波产生超声波产生/接收接收(jishu)技术技术第6页/共48页第六页，共49页。 接触式直探头接触式直探头(tn tu)(tn tu)产生超声波原产生超声波原理理11.2.2 超声波产生超声波产生(chnshng)/接收技术接收技术第7页/共48页第七页，共49页。超声波探头超声波探头(tn tu)中的压电陶瓷晶片中的压电陶瓷晶片 将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

5、持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射(fnsh)(fnsh)回到压电晶片时，利用正压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷或电压。11.2.2 超声波产生超声波产生/接收接收(jishu)技术技术第8页/共48页第八页，共49页。基于微处理器的超声波发射基于微处理器的超声波发射(fsh)(fsh)电路电路原理原理11.2.2 超声波产生超声波产生(chnshng)/接收技术接收技术第9页/共48页第九页，共49页。11.2.2 超声波产生超声波产生(chnshng)/接收技术接收技术典型的超声波接收典型的超声波接收(jishu)电路：用电路：用CX20106A集成电路对接集成电路

6、对接收收(jishu)探头受到的信号进行放大、带通滤波（只对探头受到的信号进行放大、带通滤波（只对40kHz的信号敏感）。该电路通常用于超声波测距。的信号敏感）。该电路通常用于超声波测距。第10页/共48页第十页，共49页。11.2.2 超声波产生超声波产生/接收接收(jishu)技术技术 1 脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 2 脚：该脚与地之间连接脚：该脚与地之间连接RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。的数值能改变前置放大

7、器的增益和频率特性。 3 脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为。则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为。 5 脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值，阻值(z zh)越大，越大，中心频率越低。例如，取中心频率越低。例如，取R=200k 时，时，f042kHz

8、，若取，若取R=220k，则中心频率，则中心频率f038kHz。 6 脚：脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。离变短。 当当 CX20106A 接收到接收到40KHz的信号时，会在第的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入第11页/共48页第十一页，共49页。各种各种( zhn)( zhn)超超声波探头声波探头常见(chn jin)晶片直径

9、：530mm接触式直探头(tn (tn tu)tu)（超声波垂直入射到被检介质） 外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。 保护膜接插件11.2.2 超声波产生超声波产生/接收技术接收技术第12页/共48页第十二页，共49页。接触式斜探头接触式斜探头(tn tu)(tn tu)（横波、瑞利波或兰姆波探头（横波、瑞利波或兰姆波探头(tn tu)(tn tu)） 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、4545等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔等）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，超块与不同材料的被测介质（试

10、件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜声波将产生一定角度的折射，倾斜(qngxi)(qngxi)入入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。远处去。底部耐磨材料接插件11.2.2 超声波产生超声波产生(chnshng)/接收技术接收技术第13页/共48页第十三页，共49页。各种( zhn)接触式斜探头常用(chn yn)频率范围：15MHz11.2.2 超声波产生超声波产生/接收接收(jishu)技术技术第14页/共48页第十四页，共49页。双晶直探头(tn tu) 将两个单晶探头组合装将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片配在同一壳

11、体内，其中一片发射发射(fsh)(fsh)超声波，另一片超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且测精度比单晶直探头高，且超声信号的发射超声信号的发射(fsh)(fsh)和接和接收的控制电路较单晶直探头收的控制电路较单晶直探头简单。简单。 发射(fsh)(fsh)晶片接收晶片11.2.2 超声波产生超声波产生/接收技术接收技术第15页/共48页第十五页，共49页。各种( zhn)双晶直探头11.2.2 超声波

12、产生超声波产生(chnshng)/接收技术接收技术第16页/共48页第十六页，共49页。耦合剂耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业声波能顺利地入射到被测介质中。在工业(gngy)(gngy)中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充中，经常使用一种称

13、为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。浆糊等。 11.2.2 超声波产生超声波产生(chnshng)/接收技术接收技术第17页/共48页第十七页，共49页。空气空气(kngq)超声探头超声探头11.2.2 超声波产生超声波产生/接收接收(jishu)技术技术第18页/共48页第十八页，共49页。空气空气(kngq)超声探超声探头头11.2.2 超声波产生超声波产生/接收接收(jishu)技术技术第19页/共48页第十九页，共

14、49页。、超声波的基本、超声波的基本(jbn)特性：特性：1)1)超声波具有超声波具有(jyu)(jyu)反射和折射特性反射和折射特性2)2)超声波的衰减超声波的衰减与介质对超声波的散射、吸收等性质有与介质对超声波的散射、吸收等性质有关。关。 超声波在气体中衰减大，在液体超声波在气体中衰减大，在液体(yt)(yt)、固体中衰、固体中衰减很小。减很小。 第十一章第十一章 超声波传感器超声波传感器第20页/共48页第二十页，共49页。 3) 3) 超声波与可闻声波超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具不同，它可以被聚焦，具有能量集中有能量集中(jzhng)(jzhng)的特的特点。点。11.2.3

15、 超声波的物理超声波的物理(wl)特特性性超声波雾化器超声波加湿器第21页/共48页第二十一页，共49页。 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲(michng)(michng)作用下，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。 超声波塑料(slio)焊接机11.2.3 超声波的物理超声波的物理(wl)特性特性第22页/共48页第二十二页，共49页。 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(mngxin)(mngxin)的反射和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波探鱼器11.2.3 超声波的物理超声波的物理(wl)特性特性第23页/共4

16、8页第二十三页，共49页。、超声波传感器的应用(yngyng) 第十一章第十一章 超声波传感器超声波传感器超声波测量超声波测量(cling)液位和物位液位和物位 (1) (1)在液罐上方在液罐上方(shn (shn fn)fn)安装空气传导型超声发射安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。返时间，就可测得液体的液面。 第24页/共48页第二十四页，共49页。 (2)液介质( jizh)自发自收测量方式，声波在液体中进行传播。11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第25页/共48页第二十五页，共49页。超声

17、波探伤超声波探伤(tn shng) 利用超声波的物理特性强度、吸收、传播时间、衰减(shui jin)等与缺陷的关系，检测材料的分层、气孔、裂缝以及焊接结构的裂纹、气孔等。 超声波探伤的方法很多超声波探伤的方法很多脉冲反射法、穿透脉冲反射法、穿透(chun tu)法和共振法。法和共振法。 超声波对金属内部进行探伤超声波对金属内部进行探伤（脉冲反射法）（脉冲反射法） 11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用第26页/共48页第二十六页，共49页。超声波探伤超声波探伤(tn shng)(tn shng) 超声波探伤超声波探伤是目前应用十分广是目前应用十分广泛的无损探伤手段。泛的无损探伤手

18、段。它既可检测材料表它既可检测材料表面的缺陷，又可检面的缺陷，又可检测内部测内部(nib)几几米深的缺陷，这是米深的缺陷，这是x光探伤所达不到光探伤所达不到的深度。的深度。 A型超声探伤(tn shng)反射波形裂纹11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用第27页/共48页第二十七页，共49页。超声波探伤仪超声波探伤仪钢板钢板(gngbn)、钢管等金属全自动探伤系统、钢管等金属全自动探伤系统 11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第28页/共48页第二十八页，共49页。 管道环焊缝管道环焊缝(hn fn)超声波检测装置超声波检测装置 管道环焊缝超声波检测装

19、置(zhungzh)(zhungzh)原理11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第29页/共48页第二十九页，共49页。 构件构件(gujin)的超声探伤的超声探伤11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第30页/共48页第三十页，共49页。超声波测距超声波测距 超声波在空气中的传播速度为超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据，根据(gnj)计计时器记录的时间时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：即：s=340t/2 11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)

20、第31页/共48页第三十一页，共49页。超声波测距超声波测距11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第32页/共48页第三十二页，共49页。超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收被另一只压电晶片所接收(jishu)。只要测出从。只要测出从发射超声波脉冲到接收发射超声波脉冲到接收(jishu)超声波脉冲所需超声波脉冲所需的时间的时间t，再乘以被测体的声速常数，再乘以被测体的声速常数c，就是超声，就是超声脉冲在被

21、测件中所经历的来回距离，再除以脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就，就得到厚度得到厚度 ： 21ct11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第33页/共48页第三十三页，共49页。某超声波测厚仪指标某超声波测厚仪指标(zhbio) （参（参考北京北方大河仪器仪表考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）有限公司资料） 显示(xinsh)方法 128*32 LCD 点阵液晶显示(xinsh)（带背光） 显示(xinsh)位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000 9999m/s 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节

22、七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时 使用温度：-10C 40C 存储温度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池）11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第34页/共48页第三十四页，共49页。超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚木材(mci)测厚小提琴 木料(mlio)测厚11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第35页/共48页第三十五页，共49页。11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)B型超声波诊断仪型超声波诊断仪 B超一种辉度调制超一种辉度调制(Brig

23、htness Modulation)式诊断仪。式诊断仪。B型成像方式所得到的是与声束传型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的物体断面的图像，声束沿播方向垂直的物体断面的图像，声束沿z方向方向传播，沿传播，沿x方向扫描，逐次照射方向扫描，逐次照射(zhosh)物体物体的不同区域，并接收声的不同区域，并接收声zzxB超的电子扇形扫描手动移动扫描位置束所达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光束所达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点点(un din)(un din)亮度亮度, ,从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度从而获得声束扫描断面内与声散

24、射信号幅度 对应的图像。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。对应的图像。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。第36页/共48页第三十六页，共49页。11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng) B超所使用(shyng)的换能器多为线阵聚焦/扫描型，典型阵元数为256，外形如作下图所示。 B超换能器外形图肾脏的B超图像右下图是肾脏(shnzng)的B超图像第37页/共48页第三十七页，共49页。超声波传感器应用超声波传感器应用(yngyng)举举例例质量检查质量检查紧固件的安装错误(cuw)检测11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第38页/共4

25、8页第三十八页，共49页。超声波传感器应用超声波传感器应用(yngyng)举例举例物件放置(fngzh)错误检测11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第39页/共48页第三十九页，共49页。纸卷直径(zhjng)检测超声波传感器超声波传感器应用应用(yngyng)举举例例11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第40页/共48页第四十页，共49页。流水线计数(j sh)超声波传感器超声波传感器应用应用(yngyng)举例举例11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第41页/共48页第四十一页，共49页。超长距离检测

26、(jin c)超声波传感器超声波传感器应用应用(yngyng)举举例例11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第42页/共48页第四十二页，共49页。超声防盗超声防盗(fn do)报警器报警器 图中的上半部分为发射电路，下面图中的上半部分为发射电路，下面(xi mian)为为接收电路。发射器发射出频率接收电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为如果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移率偏移f

27、。 11.2.4 超声波传感器的应用超声波传感器的应用(yngyng)第43页/共48页第四十三页，共49页。超声波用于高效超声波用于高效(o xio)清洗清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生产生(chnshng)(chnshng)一定的负压，即液体体积增加，一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生(chnshng)(chnshng)一定的正压，即液体体积被压缩减小，一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生(chnshng)(chnshng)能量极大的冲击波，相当于瞬间产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生(chnshng)(chnshng)几百度的高温和高达上千个大气压的几百度的高温和高达上千个大气