超声波传感器

1、2022-2-22第四章 非电量的电测技术14.7 超声波传感器超声波传感器n本节主要学习超声波的物理特性本节主要学习超声波的物理特性n着重了解超声波在检测技术中的一些应用着重了解超声波在检测技术中的一些应用2022-2-22第四章 非电量的电测技术2一、超声波物理基础一、超声波物理基础n频率高于频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向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

2、明显的反射（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象。和折射现象。2022-2-22第四章 非电量的电测技术31、超声波的波型分类超声波的波型分类n超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。几种。振动方向和波振动方向和波的传播方向一的传播方向一致。能在固体、致。能在固体、液体和气体中液体和气体中传播。传播。振动方向和波振动方向和波的传播方向垂的传播方向垂直。只能在固直。只能在固体中传播。体中传播。2022-2-22第四章 非电量的电测技术4书上振荡表示：书上振荡表示：2022-2-22第四章 非电量的电测技术5表面波表面波n

3、质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体型，在固体表面表面传播。传播。2022-2-22第四章 非电量的电测技术62、 超声波的反射和折射超声波的反射和折射n在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。律和折射定律。 超声波的频率越高，特性越与光波超声波的频率越高，特性越与光波相似。相似。2022-2-22第四章 非电量的电测技术73、 超声波的衰减超声波的衰减n声波在同一介质

4、中传播时声波在同一介质中传播时, , 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, , 其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。n例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。2022-2-22第四章 非电量的电测技术8二、超声波发生器原理二、超声波发生器原理n压电晶体：压电晶体：n压电效应、压电效应、逆压电效应逆压电效应_y逆压电效应逆压电效应电致伸缩效应电致伸缩效应在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图

5、所示。振动，而产生超声波，如图所示。2022-2-22第四章 非电量的电测技术9压电材料的压电材料的固有频率：固有频率：n当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。时产生的超声波最强。共振共振n压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。声波。2022-2-22第四章 非电量的电测技术10三、超声波接收器原理三、超声波接收器原理n在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以外，还需要能接收超声波的外，

6、还需要能接收超声波的接收器接收器。n一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。进行工作的。n压电式超声波接收器是利用压电式超声波接收器是利用正压电效应正压电效应进行工作的。进行工作的。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。换能器兼做发生器和接收器两种用途。 压压电电晶晶体体测测量量电电路路超声波超声波2022-2-22第四章 非电量的电测技术11n为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

7、完成这种功能的装置就是超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器超声波传感器，习，习惯上称为惯上称为超声波换能器超声波换能器，或，或超声波探头超声波探头。n1、超声波测距原理：、超声波测距原理：q超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。介面经过反射后，再反回到接收探头。超声波探头超声波探头2022-2-22第四章 非电量的电测技术122、超声波探头材料、超声波探头材料n常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。电式超声波探头。n工作原理：利用压

8、电材料的压电效应。工作原理：利用压电材料的压电效应。q逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。生超声波，可做为发射探头。q利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。可作为接收探头。2022-2-22第四章 非电量的电测技术13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。当电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振

9、动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，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。将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。2022-2-22第四章 非电量的电测技术14耦合剂耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存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间强烈的杂乱反在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接射波，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，使超声波能顺利地入射到被测触面之间的空气排

10、挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物介质中。在工业中，经常使用一种称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。常质，使之充满在接触层中，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、化用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。学浆糊等。 2022-2-22第四章 非电量的电测技术15空气超声探头空气超声探头 n以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。a a） 超声发射器超声

11、发射器 b b）超声接收器）超声接收器 1 1外壳外壳 2 2金属丝网罩金属丝网罩 3 3锥形共振盘锥形共振盘 4 4压电晶片压电晶片 5 5引脚引脚 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超声波束超声波束 2022-2-22第四章 非电量的电测技术16四、超声波传感器的应用四、超声波传感器的应用 n当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。类型称为透射型。q透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。n超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型q反射型可

12、用于接近开关、测距、测液位或物位、金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。属探伤以及测厚等。 反射反射透射透射2022-2-22第四章 非电量的电测技术171 1、超声波流量计、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 1vcLtcvLt：sin=2Fsin+=1F21902022-2-22第四章 非电量的电测技术18测量流量原理测量流量原理 时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F F1 1，T T1 1）

13、、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中F F1 1，T T1 1的超声波是顺的超声波是顺流传播的，而流传播的，而F F2 2，T T2 2的超声波是逆流传播的。由于的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差收探头上超声波传播的时间差 t t，可得到流体的，可得到流体的平均速度及流量。平均速度及流量。 2022-2-22第四章 非电量的电测技术19vcLtcvLt：sin=2Fsin+=1F21202101=tfNtfN在在t1、t2时间内，分别对频率为时间内，分别对频率为f0的脉冲进

14、行计的脉冲进行计数，记得脉冲数为数，记得脉冲数为N1、N2：LvcNftfLcvNftfsin=1=sin+=1=202210112022-2-22第四章 非电量的电测技术2021210201021=2sinsin+=NNNNfNfNfLvLvcLcvfff）（212102NNNNLfv）（2121212102=2S=NNNNkNNNNSLfvq）（）（流量2022-2-22第四章 非电量的电测技术21超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用2022-2-22第四章 非电量的电测技术22 同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音

15、调会由高变低，好像汽车驶来的驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符时候唱着音符“1”，离开的时候就唱音符，离开的时候就唱音符“ 7”了。了。n1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效应。化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效应。1 17 72、超声波多普

16、勒测量车速、超声波多普勒测量车速2022-2-22第四章 非电量的电测技术23模拟实验模拟实验n让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通个人从他身边通过（图甲）。这种情况下的过（图甲）。这种情况下的“过人频率过人频率”是是9人秒；如果观察者逆人秒；如果观察者逆着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。甲甲乙乙丙丙2022-2-22第四章 非电量的电测技

17、术24超声波情况相似超声波情况相似n当波源和观察者相对静止时，当波源和观察者相对静止时，1s内通过观察者的波峰内通过观察者的波峰（或密部）的数目是一定的，观察到的频率等于波源（或密部）的数目是一定的，观察到的频率等于波源振动的频率；振动的频率；n当波源和观察者相向运动时，当波源和观察者相向运动时，1S内通过观察者的波内通过观察者的波峰（或密部）的数目增加，观察到的频率增加；峰（或密部）的数目增加，观察到的频率增加；n反之，当波源和观察者互相远离时，观察到的频率变反之，当波源和观察者互相远离时，观察到的频率变小。小。2022-2-22第四章 非电量的电测技术25 交通警向行进中的车辆发射频率已知

18、的超声波，交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。少就能知道车辆的速度。2022-2-22第四章 非电量的电测技术263 3、超声波测量液位和物位原理、超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。可测得液体的液面。 2022-2-22第四章 非电量的电测技术27nc c：超声波在被测介质中的传播速度。：超声波在被测介质中的传播速度。n由此可见，只要知道超声波速度，就对