传感器知识 第10章 超声波传感器1学习资料

第10章超声波传感器

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。16~2×104Hz

，能为人耳所闻的机械波——声波低于16Hz的机械波——次声波高于2×104Hz的机械波——超声波3×108~3×1011Hz之间的波——微波

图10-14声波的频率范围图声波的分类

1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz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。2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。3.超声波蝙蝠依靠超声波捕食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。超声波雾化器超声波加湿器超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。10.1.1超声波的波型及其传播速度1、根据声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，分为：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；

③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。（1）在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系：横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%；（2）气体中纵波声速为344m/s；（3）液体中纵波声速在900～1900m/s。

2、超声波的传播速度蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化。在74℃时达到最大值。表10-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化表10-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化10.1.2超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质时，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分折射过界面，在另一种介质内部继续传播。反射：α＝α′折射：入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与在第二介质中的波速c2之比，即10.1.3超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。声压和声强的衰减规律为式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；

x——声波与声源间的距离；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。α是频率的函数电平取自然对数时的单位。常用n表示。常用于电信网络，作为放大或衰减的单位。10.2超声波传感器利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头的分类：按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。（1）压电式超声波发生器

----利用压电晶体的电致伸缩现象制成压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度有关。

压电式超声波发送传感器可以产生几十kHz到几十MHz的超声波。超声频电信号换能器

(2)磁致伸缩超声波发生器

-----利用某些铁磁材料的磁致伸缩现象制成磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万Hz以内，但声强可达几千W/cm2。它与压电式的发送器比较，所产生的超声波的频率较低，而强度则大许多。镍、铁钴钒合金等T/R40-16超声波传感器当40KH的脉冲电信号输入后，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将信号向外发射。传感器外形1.超声波探伤主要用于检测板材、锻件和焊接缝等材料中缺陷，也可以测量材料的厚度。

穿透法探伤当工件内部有缺陷时，在缺陷处能量被反射，到达接收探头的能量损失了一部分。10.3超声波传感器应用反射法探伤当工件内部无缺陷时，超声波传到工件底面再反射回来；当工件内部有缺陷时，超声波传到缺陷就反射回来；不同缺陷会造成不同的接收波幅度和周期。

2.超声波测厚度

只要测量出超声波脉冲通过工件的时间t,经过信号处理电路就可以直接读出工件的厚度。。厚度计算:手持式超声波测厚仪超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚3.超声波物位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。传感器分类：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使用同一个换能器。传感器发射和接收各由一个换能器担任。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。衰减小衰减大(b)超声波在空气中传播(a)超声波在液体中传播对于单换能器来说，超声波从发射器到接收的时间为式中：h——换能器距液面的距离；

c——超声波在介质中传播的速度。对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，式中：s——超声波从反射点到换能器的距离；

a——两换能器间距之半。10.3.2超声波流量传感器超声波流量传感器的测定方法很多，如传播速度变化法、波速移动法等。目前应用较广的是超声波传播时间差法。

原理：超声波在静止流体和流动流体中的传播速度不同，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，可以计算出流体的流量。设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，由于c>>v,则忽略超声波传感器安装位置一超声波传感器安装位置二超声波的传输时间：超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体，还是浆状流体，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。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。超声波捕鱼机工作原理：利用超声波对鱼、鳖等水中一切冷血动物的心脏和脑部神经击昏缺氧，快速大面积浮出水面，达到最佳捕捉效果，并能将深层的动物击昏即浮出水面任意捕捞（过5分钟后复活），捕大留小