传感技术及应用超声波传感器

基本原理：利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。测量对象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意图第九章超声波传感器一、概述1、超声波及其基本特性波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。

频率：次声波、声波、超声波、微波第九章超声波传感器次声波：低于16Hz的机械波；声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：高于2×104Hz的机械波；微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波；2、超声波的波型及其转换和波速纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气）横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）L1界面介质1介质22L1L2S1S2L—入射纵波；L1

—反射纵波；L2

—折射纵波

S1

—反射横波；S2—折射横波。第九章超声波传感器超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为E—杨氏模量；—泊松比；G—剪切弹性模量。第九章超声波传感器3、超声波的反射和折射当波速一致时入射波′界面介质1介质2反射波折射波（2）折射定律c1—入射声波速；c2—折射声波速第九章超声波传感器（1）反射定律4、声波的衰减超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为P0、I0—声波在x=0处的声压和声强；P、I—声波在x处的声压和声强；—衰减系数。应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆的浓度等。第九章超声波传感器5、超声波与介质的相互作用机械效应超声波可以引起质点的运动空化效应一般表现在液体中微气泡的振动热效应

介质吸收超声波的能量第九章超声波传感器二、超声波传感器1、定义：

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获超声波探头。应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点：精度高，被测物体不受影响。第九章超声波传感器2、分类结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式第九章超声波传感器3、压电式探头超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电信号第九章超声波传感器第九章超声波传感器三、超声波传感器的应用1、超声波测厚脉冲回波法：第九章超声波传感器续：超声波测厚主控制器脉冲发送电路接收电路探头标准振荡电路计数电路第九章超声波传感器2、液位测量通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。第九章超声波传感器液位计第九章超声波传感器第九章超声波传感器3、超声波探伤穿透法探伤：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。

反射法探伤：

反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。（1）穿透法探伤

优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。穿透法探伤原理

第九章超声波传感器（2）一次脉冲反射法

一次脉冲反射法探伤原理第九章超声波传感器（3）多次脉冲反射法

多次脉冲反射法探伤原理第九章超声波传感器3、超声流量计理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。工作原理：传播时间法、多普勒（效应）法；波束偏移法、相关法等。第九章超声波传感器第九章超声波传感器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。根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差t、相位差φ或频率差f等方法，可测量出流体的平均速度及流量。超声波流量传感器工作原理传播时间法第九章超声波传感器第九章超声波传感器超声波传感器安装位置