超声波传感器

1、会计学1超声波传感器超声波传感器 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。 次声波次声波是频率低于是频率低于1616赫兹的声波，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

2、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。 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。蝙蝠能发蝙蝠能发出和听见出和听见超声波。超声波。超声波塑料超声波塑料焊接机焊接机便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物 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与纵波之间，质点的振动介于横波与纵波之间

3、， 沿着表面传播的波。沿着表面传播的波。 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。 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,

4、 , 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

5、伸缩式、 电磁式电磁式等等. .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地端接地端底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件 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，另一片接收超声波。两晶片之间用一超声波。两晶片之间

6、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。 10.3.1 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

7、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。 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

8、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。 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

9、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)

10、应用范围广，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 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叠放高度测量高度测量物物件放置错误检测件放置错误检测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纸卷直径检测纸卷直径检测

11、平整度测量平整度测量超长距离检测超长距离检测流水线计数流水线计数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的时间较短的时间较短木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚路轨断裂事故路轨断裂事故A A型超声探型超声探伤反射波形伤反射波形裂纹裂纹起始波起始波 缺陷反射波缺陷反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷缺陷缺陷铁路钢轨探伤铁路钢轨探伤用滑板式探头用滑板式探头焊缝焊缝波形及其转换波形及其转换反射和折射反射和折射 超声波的衰减超声波的衰减超声波传感器超声波传感器探测器或换能器探测器或换能器应用应用物位传感器物位传感器流量传感器流量传感

12、器小结小结10.1.3 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, , 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。 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 (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