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第4.2节 超声波传感器


第4.2节

超声波传感器

主要内容
一、概述 二、超声波传感器 三、超声波传感器的应用
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声波的分类
1.次声波

次声波是频率低于16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。
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2.可闻声波

美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波

蝙蝠 能发出和 听见超声 波。
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蝙蝠依靠超声波捕食

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5

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。

超声波加湿器
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超声波雾化器
6

压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下, 可得到较大功率的超声波,可以被聚焦,能用于集成 电路及塑料的焊接。

超声波塑料 焊接机

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7

超声波金丝 焊接机

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8

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。 便携式超声波 探鱼器

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9

超声波在医学检查 中的应用

胎儿的 B超影像

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10

超声波用于高效清洗
当弱的声波信号作用于液体中时,会对液体产生一定的 负压,即液体体积增加,液体中分子空隙加大,形成许多微 小的气泡; 而当强的声波信号作用于液体时,则会对液体产生一定 的正压,即液体体积被压缩减小,液体中形成的微小气泡被 压碎。 经研究证明:超声波作用于液体中时,液体中每个气泡 的破裂会产生能量极大的冲击波,相当于瞬间产生几百度的 高温和高达上千个大气压的压力,这种现象被称之为“空化 作用”,超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击 波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于 半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。
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超声波清洗原理及清洗器
(参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料)

气泡 波浪

清洗物

超声换能器
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一、概述
?

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
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1、超声波及其基本特性
次声波:低于16 Hz的机械波; 声波:其频率在16~2×104 Hz之间,能为人耳所闻的 机械波;? 波(动):振动在弹性介质内的传播称为波动。 超声波:高于2×104 Hz的机械波; 频率:次声波、声波、超声波、微波 微波:频率在3×108~3×1011 Hz之间的波;
次声波 声波 超声波 微波

音乐 语言 探测

10
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1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

f (H z)
14

声波频率界限图

2、超声波的波型及波速
?

?

?

?1 L 纵波:质点的振动方 L1 S1 向与波的传播方向一 ? ?2 致。(固、液、气) 介质1 界面 横波:质点的振动方 向垂直于波的传播方 介质2 L2 ? 向。(固) S2 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 L—入射纵波; L1 —反射纵波; 随深度增加而迅速衰 L2 —折射纵波 减。(固体表面) S1 —反射横波; S2—折射横波。
15

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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。

为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。
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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。

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17

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。

声速= 弹性率 密度
在固体介质中,纵波、横波、表面波三者的声速分别为

1? ? c纵= ? (1 ? ? )(1-2? ) E E

E — 杨氏模量; ? — 泊松比; G —剪切弹性模量。

1 G c横= = 通常认为横波波速为纵波声 ? 2(1 ? ? ) ? 速的一半,表面波声速约为 横波声速的90%。 G c表面 ? 0.9 ? 0.9c横
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?

18

3、超声波的反射和折射
超声波从一种介质传播到另一种介质, 在两个介 质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射 过界面, 在另一种介质内部继续传播。这样的两 种情况称之为超声波的反射和折射。
入射波 反射波

入射角
介质1 介质2

?

?′
界面

反射角

折射角
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?
折射波
19

3、超声波的反射和折射
(1)反射定律 当入射波和反射波的波型相同、波速相等时

?= ?

'

入射波

反射波

?
介质1 介质2

?′
界面

(2)折射定律

sin? c1 ? sin ? c2

?
折射波

c1—入射波波速; c2—折射波波速
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4、超声波的衰减
超声波在一种介质中传播时,随着传播距离的增加, 能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为

P ? P0 e ??x I ? I 0 e ? 2?x
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。
21

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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

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22

6、超声波的特点 超声波是机械波的一种,它的特征是频率高、波 长短、绕射现象小。最明显的一个特征是方向性好, 能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰 减很小,所以穿透能力很强,尤其在对不透明的固体 中,超声波能穿透几十米的长度,碰到杂质或分界面 就会有显著的反射。这些特性使得超声波检测广泛应 用于工业、医学中。 当超声波在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 ,在异质界面上将会 产生反射、折射等现象。
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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或超 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。

?

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24

2、分类
?

结构:直探头、斜探头、双探头、 表面波探头、聚焦探头、冲水探 头、水浸探头、高温探头、空气 传导探头以及其他专用探头等。 工作原理:压电式、磁致伸缩式、 电磁式
在检测技术中主要采用压电式
25

?

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3、超声波传感器的工作原理
?

压电式超声波传感器 利用压电材料的压电效应来工作的。

发生器(发射探头)
压电式超声波传感器 逆压电效应

接收器(接收探头)
正压电效应
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(1)超声波发生器
?

?

?

工作原理:利用逆压电效应的原理将高频电 振动转换成高频机械振动,从而产生超声波。 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。

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27

(2)超声波接收器
?

?

工作原理:利用正压电效应原理进行工作的。 当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩,在 晶片的两个表面上产生极性相反的电荷,这些 电荷被转换成电压经放大后送到测量电路,最 后记录或显示出来。 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
28

超声波

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(3)典型压电式超声波传感器结构

导电螺杆

金属壳

接线片

吸收块

压电晶片 保护膜

压电式超声波传感器结构
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(3)典型压电式超声波传感器结构
? 主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组 成。 ? 压电晶片多为圆板形, 厚度为d。超声波频率f与其厚度d 成反比。 ? 压电晶片的两面镀有银层, 作导电的极板,底面接地,上面 压电材料的 接至引出线。 固有频率: ? 为了避免传感器与被测件直接 接触而磨损压电晶片,在压电 晶片下粘合一层保护膜。 ? 阻尼块的作用是降低晶片的机械品质, 吸收声能量。 如果没有阻尼块,当激励的 电脉冲信号停止时, 晶片将会继续振荡, 加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变差。
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(4)压电式超声波传感器材料
?

常用的材料:压电晶体、压电陶瓷。
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。
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各种超声波探头
(以下参考常州市常超检测设备有限公司资料)

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)

保护膜
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。

接插件
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接触式
直探头原理

超声脉冲电压 输入端

接地端

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33

接触式斜探头(横波、瑞利波或兰姆波探头)

接插件

底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度(如30?、 45?等)的有机玻璃斜楔块上,当斜楔块与不同材 料的被测介质(试件)接触时,超声波将产生一 定角度的折射,倾斜入射到试件中去,可产生多 次反射,而传播到较远处去。
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各种接触式斜探头

常用频率范围:1~5MHz
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接触法双晶直探头
将两个单晶探头组合 装配在同一壳体内,其中 一片发射超声波,另一片 接收超声波。两晶片之间 用一片吸声性能强、绝缘 性能好的薄片加以隔离。 双晶探头的结构虽然复杂 些,但检测精度比单晶直 探头高,且超声信号的反 射和接收的控制电路较单 晶直探头简单。
36

发射晶片
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接收晶片

各种双晶直探头

焦距范围:5~40mm, 频率范围:2.5~5MHz, 钢中折射角:45? ~70?
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接触法双晶斜探头(续)

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38

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。
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空气超声探头

1—外壳 5—引脚
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a) 超声发射器 b)超声接收器 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 6—阻抗匹配器 7—超声波束
40

空气超声探头外形

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41

空气超声探头外形(续)

空气传导超声波电脉冲发生器

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43

休息一下

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44

三、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。 反射型可用于接近开关、测距、测液位或

?

超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型
?

物位、金属探伤以及测厚等。

反射
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透射

45

三、超声波传感器的应用
(1)超声波物位传感器 (2)超声波流量传感器

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46

(1)超声波物位传感器
?

?

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。

单换能器

传感器

传感器发射和接收超声波使用同一个换能器

双换能器
传感器发射和接收各由一个换能器担任
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h

s

h

2a (a) 2a

h

s

h

(b)

几种超声物位传感器的结构原理示意图 (a) 超声波在液体中传播; (b) 超声波在空气中传播
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?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。

2013-7-24

49

? 对于单换能器来说, 超声波从发射器到液
面, 又从液面反射到换能器的时间间隔为
2h t? c ct h? 2

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。
2013-7-24

?
50

?双换能器,超声波从发射到接收经过的路
程为2s,而
ct s? 2
因此液位高度为

h ? s2 ? a2
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。

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51

超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,

若液体中有气泡或液面发生波动,便会产生较大
的误差。在一般使用条件下, 它的测量误差为

±0.1%,检测物位的范围为10-2~104m。

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52

(2)超声波流量传感器
? 利用超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中 的传播速度不同的特点,从而求得流体的流速和流量。 ? 超声波流量传感器原理图——超声波传输时间差法
超声波传感器1 超声波传感器2

B1 L

B2

电路
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管道
53

如果在流体中设置两个超声波传感器,它们既可以发射超
声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距 离为L。如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,则

顺流方向的传播时间

L t1 ? c?v L t2 ? c?v
54

逆流方向的传播时间

2013-7-24

一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 因此超声波传播时间差为

2 Lv ?t ? t2 ? t1 ? 2 c ? v2
由于c>>v, 从上式便可得到流体的流速, 即
2

(10-15)

c v? ?t 2L
2013-7-24

(10-16)
55

实际应用中

超声波传感器2

?

D

超声波传感器1

管道

超声波传感器安装位置
2013-7-24 56

此时超声波的传输时间将由下式确定:

顺流方向的传播时间

D t1 ? cos? c ? v sin ? D t2 ? cos? c ? v sin ?

逆流方向的传播时间

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57

超声波流量计现场使用

2013-7-24

58

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。

2013-7-24

59

课后补充知识

2013-7-24

60

超声波传感器应用举例

2013-7-24

61

超声波传感器应用举例(续)

2013-7-24

62

超声波传感器应用举例(续)

质量检查
2013-7-24

紧固件的安装错误检测

63

超声波传感器应用举例(续)

叠放高度测量
2013-7-24 64

超声波传感器应用举例(续)

物件放置错误检测
2013-7-24 65

超声波传感器应用举例(续)

透明塑料张力控制
2013-7-24 66

超声波传感器应用举例(续)

机械手定位
2013-7-24 67

超声波传感器 应用举例(续)

纸卷直径检测
2013-7-24 68

超声波传感器应用举例(续)

平整度测量
2013-7-24 69

超声波传感器 应用举例(续)

超长距离检测
2013-7-24 70

超声波传感器 应用举例(续)

流水线计数
2013-7-24 71

2、超声波多普勒测量车速
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。 -1-
-7-

?

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。
2013-7-24 72

模拟实验


乙 丙
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)。
2013-7-24 73

?

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。

2013-7-24

74

超声波多普勒测量车速

2013-7-24

75

超声波测距
空气超声探头发射超声脉冲,到达被测物时, 被反射回来,并被另一只空气超声探头所接收。测 出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间 t,再乘以空气的声速(340m/s),就是超声脉冲 在被测距离所经历的路程,除以2就得到距离。

2013-7-24

76

超声波测厚
双晶直探头中的压电晶片发射超声振 动脉冲,超声脉冲到达试件底面时,被反 射回来,并被另一只压电晶片所接收。只 要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉 冲所需的时间t,再乘以被测体的声速常数 c,就是超声脉冲在被测件中所经历的来回 距离,再除以2,就得到厚度? :

1 ? ? ct 2
2013-7-24

?7 - 5?
77

手持式超声波测厚仪

2013-7-24

78

某超声波测厚仪指标
(参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料)

显示方法∶128*32 LCD 点阵液晶显示(带背光) 显示位数:四位 测量范围:0.8~200mm 示值精度:0.1mm 声速范围:1000 ~ 9999m/s 测量周期:2次/秒 自动关机时间:90秒 电源:二节七号(AAA)电池, 可连续工作不少于72小时 使用温度:-10°C ~ 40°C 存储温度:-20°C ~ 70°C 外形尺寸:108x61x25mm 重量:230g (含电池)
2013-7-24 79

超声波测厚

石料测厚

2013-7-24

80

超声波手持式测厚
木材测厚

混凝土测厚 小提琴 木料测厚
2013-7-24 81

双晶超声波测厚探头

2013-7-24

82

双晶超声波测厚探头(续)

2013-7-24

83

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。

2013-7-24

84

超声波液位计原理

1—液面 2—直管 3—空气超声探头 4—反射小板 5—电子开关
2013-7-24 85

超声波测量液位和物位

喇叭形 超声发生器
2013-7-24 86

倒车雷达

2013-7-24

87

输油管检测检测机器人

2013-7-24

88

休息一下

2013-7-24

89


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