传感器原理及应用-第8章 - 超声波传感器课件

1、 第八章 超声波传感器 超声波技术 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波的物理性质 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波传感器的应用 超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜、超声成像等。8.1 超声波及其物理性质8.2 超声波传感器8.3 超声波传感器的应用第八章 超声波传感器一、超声波的基本概念8.1 超声波

2、及其物理性质声波的频率界限图超声波：蝙蝠能发出和听见超声波。二、超声波的分类8.1 超声波及其物理性质超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。超声波雾化器根据声波在介质中施力方向与波在介质中传播方向，声波的波型主要分三类：三、超声波的波型8.1 超声波及其物理性质（1）纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波。（2）横波质点振动方向垂直于传播方向的波。（3）表面波质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。 三、超声波的波型8.1 超声波及其物理性质表面波四

3、、声速、波长与指向性8.1 超声波及其物理性质（3）指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。四、声速、波长与指向性8.1 超声波及其物理性质1超声源 2轴线3指向角 4等强度线超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力 。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。 在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质

4、中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再延着原来传播方向运动，而形成散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。 六、超声波的衰减8.1 超声波及其物理性质 能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。一、超声波传感器原理8.2 超声波传感器定义分类压电式和磁致伸缩式，其中以压电式最为常用。材料压电晶体和压电陶瓷。电能机械能正压电效应逆压电效应超声波发生器将电磁能转换成机械能。结构分为

5、两部分：一是产生高频电流或电压的电源；二是换能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。二、超声波发生器8.2 超声波传感器压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。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，常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。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压电效应换能器可产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应。压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的，它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。三、超声波接收

6、器8.2 超声波传感器压电晶体测量电路超声波8.2 超声波传感器 压电式超声波传感器结构 8.2 超声波传感器常用频率范围：0.5-10MHz，常见晶片直径：5-30mm接触式直探头（纵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8.1 超声波及其物理性质8.2 超声波传感器8.3 超声波传感器的应用第八章 超声波传感器超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。 一、超声波物位传

7、感器 8.3 超声波传感器的应用根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。 超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法） 超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。 二、超声波流量传感器 8.3 超声波传感器的应用超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）二、超声波流量传感器 8.3 超声波传感器的应用 一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 那么超声波传播时间差为：

8、超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）二、超声波流量传感器 8.3 超声波传感器的应用 在实际应用中, 超声波传感器安装在管道的外部, 从管道的外面透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。 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测流体种类很多，不论是非导电的流体，还是高黏度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量，还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。超声波传输时间差法（超声波传播速度变化法）二、超声波流量传感器 8.3 超声波传感器的应用超声波流量计超声波在医学检查中的应用三、其他领域应用

9、8.3 超声波传感器的应用超声波用于高效清洗三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用超声换能器气泡波浪清洗物超声波倒车雷达三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用 选用封闭型的发射超声波传感器和接收超声波传感器安装在汽车尾部的侧角处，接入电路即可装配成一个汽车倒车尾部防撞探测器。质量检查三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用紧固件的安装错误检测叠放高度测量三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用机械手定位纸卷直径检测三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用平整度测量流水线计数三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用平整度测量超声波多普勒测量车速三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用超声波手持式测厚三、其他领域应用8.3 超声波传感器的应用石料测厚木材测厚超声波手持式测厚三、其他领域应用8.