超声波传感器课件

第七章超声波传感器本节主要学习超声波的物理特性、超声波探头的结构着重了解超声波在检测技术中的一些应用11/24/20221第四章非电量的电测技术第七章超声波传感器本节主要学习超声波的物理特性、超声波探介质中的质点以弹力互相联系。某质点在介质中振动，能激起周围质点的振动。质点振动的传播形成播。声波是一种能在气体、液体、固体中传播的弹性波。根据声波point的范围，声波可以分为次声波、声波、超声波。11/24/20222第四章非电量的电测技术介质中的质点以弹力互相联系。某质点在介质中振动，能激起周围质一、超声波物理基础人耳所能听到的声波频率在20~20000Hz之间。频率超过20000Hz的声波称为超声波。低于的称为次声波。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，能产生明显的反射和折射现象。11/24/20223第四章非电量的电测技术一、超声波物理基础人耳所能听到的声波频率在20~20000H1、超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。11/24/20224第四章非电量的电测技术1、超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表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。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。11/24/20225第四章非电量的电测技术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。表面波特征：超声波的特征是频率高，波长短，绕射现象小。它最明显的特征是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生显著的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。11/24/20226第四章非电量的电测技术特征：11/23/20226第四章非电量的电测技术2、超声波的反射和折射在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。超声波的频率越高，特性越与光波相似。11/24/20227第四章非电量的电测技术2、超声波的反射和折射在两界面处，声波的传输与光传输类似，3、超声波的衰减声波在同一介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。11/24/20228第四章非电量的电测技术3、超声波的衰减声波在同一介质中传播时,随着传播距离的增二、超声波发生器原理压电晶体：压电效应、逆压电效应_y逆压电效应电致伸缩效应在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。11/24/20229第四章非电量的电测技术二、超声波发生器原理压电晶体：_y逆压电效应电致伸缩效应在压压电材料的固有频率：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。——共振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。11/24/202210第四章非电量的电测技术压电材料的固有频率：当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，三、超声波接收器原理在超声波技术中，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接收器。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。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。压电晶体测量电路超声波11/24/202211第四章非电量的电测技术三、超声波接收器原理在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发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。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。1、超声波测距原理：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。Δ超声波探头11/24/202212第四章非电量的电测技术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。完成这2、超声波探头材料常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。工作原理：利用压电材料的压电效应。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。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。11/24/202213第四章非电量的电测技术2、超声波探头材料常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统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，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。11/24/202214第四章非电量的电测技术超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加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。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。11/24/202215第四章非电量的电测技术耦合剂超声探头与被测物体接触时，探头与被测物空气超声探头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。a）

超声发射器b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束11/24/202216第四章非电量的电测技术空气超声探头以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发四、超声波传感器的应用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。透射型可用于遥控器、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反射型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。反射透射11/24/202217第四章非电量的电测技术四、超声波传感器的应用当超声发射器与接收器分别置于被测物两1、超声波流量计F1发射的超声波先到达T111/24/202218第四章非电量的电测技术1、超声波流量计F1发射的超声波先到达T111/23/2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一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2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，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。11/24/202219第四章非电量的电测技术测量流量原理时间差法测量流量原理：在被测管道上下在t1、t2时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计数，记得脉冲数为N1、N2：11/24/202220第四章非电量的电测技术在t1、t2时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计数，记得脉冲11/24/202221第四章非电量的电测技术11/23/202221第四章非电量的电测技术超声波流量计现场使用11/24/202222第四章非电量的电测技术超声波流量计现场使用11/23/202222第四章非电量的同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符“1”，离开的时候就唱音符“7”了。1842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。－1－－7－2、超声波多普勒测量车速11/24/202223第四章非电量的电测技术同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时模拟实验让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通过（图甲）。这种情况下的“过人频率”是9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（图乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。

甲乙丙11/24/202224第四章非电量的电测技术模拟实验让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从超声波情况相似当波源和观察者相对静止时，1s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振动的频率；当波源和观察者相向运动时，1S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；反之，当波源和观察者互相远离时，观察到的频率变小。11/24/202225第四章非电量的电测技术超声波情况相似当波源和观察者相对静止时，1s内通过观察者的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少就能知道车辆的速度。11/24/202226第四章非电量的电测技术交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测3、超声波测量液位和物位原理在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。11/24/202227第四章非电量的电测技术3、超声波测量液位和物位原理在液罐上方安装空气传c：超声波在被测介质中的传播速度。由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量时间t的方法来精确测量距离L。声速c在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体中，由于温度和压力不同，其值也不相同。由于液体中其它成分的存在及温度的不均匀都会使c发生变化，引起测量误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。11/24/202228第四章非电量的电测技术c：超声波在被测介质中的传播速度。11/23/202228第优缺点：超声物位传感器可用于危险场所非接触检测物位，有精度高和换能器寿命长等优点。缺点是液体波浪大时误差大，单探头式不能检测小于盲区的距离，双探头式虽然理论分析上无盲区，但由于探头的侧向超声波辐射对接收器的作用，使接收器电路在静态时有微弱输出。11/24/202229第四章非电量的电测技术优缺点：超声物位传感器可用于危险场所非接触检测物位，有精度高超声波测量液位和物位喇叭形超声发生器11/24/202230第四章非电量的电测技术超声波测量液位和物位喇叭形超声4、穿透法探伤：根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判断工件内部质量的方法。工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；工件内有缺陷时，部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。内部缺陷检测出来。反射法探伤：声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。11/24/202231第四章非电量的电测技术4、穿透法探伤：根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判断工件第七章超声波传感器本节主要学习超声波的物理特性、超声波探头的结构着重了解超声波在检测技术中的一些应用11/24/202232第四章非电量的电测技术第七章超声波传感器本节主要学习超声波的物理特性、超声波探介质中的质点以弹力互相联系。某质点在介质中振动，能激起周围质点的振动。质点振动的传播形成播。声波是一种能在气体、液体、固体中传播的弹性波。根据声波point的范围，声波可以分为次声波、声波、超声波。11/24/202233第四章非电量的电测技术介质中的质点以弹力互相联系。某质点在介质中振动，能激起周围质一、超声波物理基础人耳所能听到的声波频率在20~20000Hz之间。频率超过20000Hz的声波称为超声波。低于的称为次声波。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，能产生明显的反射和折射现象。11/24/202234第四章非电量的电测技术一、超声波物理基础人耳所能听到的声波频率在20~20000H1、超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。11/24/202235第四章非电量的电测技术1、超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表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。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。11/24/202236第四章非电量的电测技术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。表面波特征：超声波的特征是频率高，波长短，绕射现象小。它最明显的特征是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生显著的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。11/24/202237第四章非电量的电测技术特征：11/23/20226第四章非电量的电测技术2、超声波的反射和折射在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。超声波的频率越高，特性越与光波相似。11/24/202238第四章非电量的电测技术2、超声波的反射和折射在两界面处，声波的传输与光传输类似，3、超声波的衰减声波在同一介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。11/24/202239第四章非电量的电测技术3、超声波的衰减声波在同一介质中传播时,随着传播距离的增二、超声波发生器原理压电晶体：压电效应、逆压电效应_y逆压电效应电致伸缩效应在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。11/24/202240第四章非电量的电测技术二、超声波发生器原理压电晶体：_y逆压电效应电致伸缩效应在压压电材料的固有频率：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。——共振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。11/24/202241第四章非电量的电测技术压电材料的固有频率：当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，三、超声波接收器原理在超声波技术中，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接收器。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。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。压电晶体测量电路超声波11/24/202242第四章非电量的电测技术三、超声波接收器原理在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发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。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。1、超声波测距原理：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。Δ超声波探头11/24/202243第四章非电量的电测技术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。完成这2、超声波探头材料常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。工作原理：利用压电材料的压电效应。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。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。11/24/202244第四章非电量的电测技术2、超声波探头材料常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统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，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。11/24/202245第四章非电量的电测技术超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加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。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。11/24/202246第四章非电量的电测技术耦合剂超声探头与被测物体接触时，探头与被测物空气超声探头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。a）

超声发射器b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束11/24/202247第四章非电量的电测技术空气超声探头以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发四、超声波传感器的应用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。透射型可用于遥控器、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反射型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。反射透射11/24/202248第四章非电量的电测技术四、超声波传感器的应用当超声发射器与接收器分别置于被测物两1、超声波流量计F1发射的超声波先到达T111/24/202249第四章非电量的电测技术1、超声波流量计F1发射的超声波先到达T111/23/2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一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2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，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。11/24/202250第四章非电量的电测技术测量流量原理时间差法测量流量原理：在被测管道上下在t1、t2时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计数，记得脉冲数为N1、N2：11/24/202251第四章非电量的电测技术在t1、t2时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计数，记得脉冲11/24/202252第四章非电量的电测技术11/23/202221第四章非电量的电测技术超声波流量计现场使用11/24/202253第四章非电量的电测技术超声波流量计现场使用11/23/202222第四章非电量的同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符“1”，离开的时候就唱音符“7”了。1842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。－1－－7－2、超声波多普勒测量车速11/24/202254第四章非电量的电测技术同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时模拟实验让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通过（图甲）。这种情况下的“过人频率”是9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（图乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。

甲乙丙11/24/202255第四章非电量的电测技术模拟实验让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从超声波情况相似当波源和观察者相对静止时，1s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振动的频率；当波源和观察者相向运动时，1S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；反之，当波源和观察者互相远