第7章波式传感器

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1、2019/10/19,1,第7章 波式传感器,2019/10/19,2,学习目的,掌握超声波、微波等波式传感器的 工作原理及其应用 理解各种波式传感器的物理基础 了解各种波式传感器的应用领域,2019/10/19,3,7.1 超声波传感器 7.2 微波传感器 7.3 多普勒传感器 本章小结 复习思考题,主要内容,返回主目录,2019/10/19,4,7.1 超声波传感器,次声波频率低于20Hz的声波，人耳听不到，但可与人的器官发生共振，78Hz的次声波会引起热的恐怖感，使人动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,1、次声波,人们听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20 20kHz范围内。,20

2、19/10/19,5,2、可闻声波,频率在20Hz20kHz的声波,美妙的音乐能使人陶醉,2019/10/19,6,3.超声波,超声波：频率超过20kHz的声波。,超声波人耳感觉不到，但许多动物都能感受到，如海豚、蝙蝠以及某些昆虫，都能很好地感受可发出超声波。检测常用的超声波频率范围为：,2019/10/19,7,超声波对液体、固体的穿透能力很强，尤其是对不透光的固体，它可以穿透几 十米的深度； 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。 超声波遇到杂质或分界面会产生反射、折射和波形变换等现象。正是因为超声 波的这些特性，在工业、国防、医疗、家电等检测和控制领域有着广泛的应用.,

3、超声波特点,超声波不同于声波，其波长短，绕射现象小，且方向性好，传播能量集中，能 定向传播。 超声波在传播过程中衰减很小。在传播过程中，遇到不同的媒介，大部分能量 会被反射回来；,2019/10/19,8,7.1.1 超声波的物理基础,超声波的传播方式,纵波,横波,表面波,2019/10/19,9,质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。 纵波能在固体、液体和气体中传播。,2019/10/19,10,横波质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。横波只能在固体中传播。,2019/10/19,11,质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，只

4、能在固体中传播。,2019/10/19,12,当超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上部分被反射回原介质中，称为反射波； 另一部分能透过界面，在另一介质中继续传播称为折射波。 如图7-1所示。下面是与超声波有关的几个基本性质：,图7-1 超声波反射与折射,2019/10/19,13,1. 传播速度,超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，也与环境条件有关。 对于液体，其传播速度c为,（7-1）,介质的密度,绝对压缩系数,2019/10/19,14,在气体中，传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度c为,（7-2）,对固体，其传播速度c为,（7-3）,环境温度,固体的弹性模量,

5、泊松系数比,2019/10/19,15,2. 反射定律,入射角的正弦与反射角的正弦之比等于入射波所处介质的波速与反射波所处介质的波速之比，即,（7-4）,当入射波和反射波的波形一样，波速一样，入射角即等于反射角。,2019/10/19,16,3折射定律,入射角的正弦与折射角的正弦之比等于超声波在入射波及折射波所处介质中的传播速度之比，即,（7-5）,在自动检测中，经常采用超声波在两介质中的界面所产生的折射和反射现象进行测量。,2019/10/19,17,4. 透射率与反射率,超声波从第一介质垂直入射到第二介质中时，透射声压与入射声压之比称为透射率。而反射声压与入射声压之比称为反射率。 有理论和

6、实验得知，超声波从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大，例如，超声波从水中入射到钢中时，透射率高达93.5%。反之，超声波自密度大的介质入射到密度小的介质中时，透射率就较小，反射率较大。例如超声波进入钢板并传播一段距离，到达钢板底面时，若底部是钢与水的界面，则出射到水中的声压只有原声压的6.5%。而由底部钢与水的界面反射回钢板的反射率却高达93.5%，若底部是钢与空气的界面，反射率就更大。超声波的这一特性在金属探伤、测厚中得到了很好的应用。,2019/10/19,18,5. 超声波在介质中的衰减,超声波在介质中传播时，由于声波的散射或漫射及吸收等会导致能量的衰减，随传播距离的增加，声波

7、的强度逐渐减弱。以固体介质为例，设超声波入射介质时的强度为I0，通过厚度为的介质后的强度为I，衰减系数为A，如图7-2所示，则有下列关系式,介质中的能量衰减程度与超声波和介质密度有很大关系。气体的密度很小，因此衰减很快，尤其对于高频率超声波而言，衰减更快。因此，在空气中测量时，要采用较低频率的超声波，一般低于数十kHz，而在固体中则应该采用频率高的超声波，一般应该在MHz数量级以上。,（7-6),图7-2 超声波能量的衰减,2019/10/19,19,7.1.2 超声波换能器及耦合技术,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器根据其工作原理不同，分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术

8、中主要采用压电式。换能器由于其结构的不同，又分为直探头、斜探头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等。,2019/10/19,20,1. 以固体为传导介质的探头,用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头）的结构如图7-3a所示。压电晶片采用锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）材料制作，外壳用金属制作。保护膜用于防止压电晶片的磨损和改善耦合条件；阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波的产生。,图7-3a,2019/10/19,21,双晶直探头的结构如图7-3b所示，它是由两个单晶直探头组成，装配在同一壳体内。两个探头之间用一块吸声性强，绝缘性能好的薄片

9、加以隔离，并在压电晶片下方增设延迟块，使超声波的发射和接受互不干扰。在双探头中，一只压电晶片负责发射超声脉冲，而另一只则担任接收超声脉冲的任务。双探头的结构虽然复杂一些，但信号发射和接收的电路却较为简单。,图7-3b,2019/10/19,22,2019/10/19,23,有时为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头，如图7-3c所示。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。压电片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。,图7-3c,2019/10/19

10、,24,2019/10/19,25,2019/10/19,26,2019/10/19,27,2. 耦合剂,在图7-3中，无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在试件表面（特别是粗糙金属表面）来回移动，以防探头磨损。更重要的是，由于超声探头与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层。由于空气的密度很小，将引起三种介质两个界面间强烈的杂乱反射波，造成严重的测量干扰，而且空气还会造成超声波的严重衰减。因此必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能够顺利的入射到被测介质中。 在工业测量中，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

11、作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。根据不同的被测介质而选定。耦合剂的厚度应该尽量薄一些，以减小耦合损耗。,2019/10/19,28,3. 以空气为传导介质的超声波 发射器和接受器,以空气为传导介质的超声波发射器和接受器一般是分开设置的，两者的结构也略有不同。如图7-4所示为以空气为传导介质的超声波发射器和接收器的结构简图。发射器上的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，如图7-4a，以便提高发射效率和增强方向性。而接收器则在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以提高接受效率，如图7-4b所示。,图7-4 空气传导型超声波发射器和接收器,2019/10/19,29,2019/1

12、0/19,30,7.1.3 各种超声波探头,2019/10/19,31,7.1.3 超声波传感器的应用,根据超声波的走向来看，超声波传感器的应用有两种基本类型，如图7-6所示。当超声波发生器与接受器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型，如图7-6a所示。透射型的典型应用有：遥控器、防盗报警器、接近开关等。当超声波发生器与接受器置于同侧时，这种类型称为反射型，如图7-6b所示。反射型的典型应用有：接近开关、距离测量、液位或料位测量、金属探伤以及厚度测量等。下面具体介绍超声波传感器在工业测量中的几种应用。,图7-6 超声波应用的两种基本类型,2019/10/19,32,1.超声波探伤,超声波探

13、伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测金属板材、管材、锻件和焊缝等材料中的缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、材料厚度、材料的晶粒等，配合断裂力学对材料使用寿命进行评估。 超声波探伤因为检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得以广泛的应用。超声波探伤方法多种多样，而脉冲反射法根据波形的不同分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤等。下面分别给予介绍。,2019/10/19,33,（1）纵波探伤法,测试前，先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板上有一个荧光屏如图7-7a 所示。通过荧光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的位置。工作时，探头放置在

14、被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。探头发出的超声波，以一定速度向工件内部传播.,工件中没有缺陷，则超声波传播到工件底部便产生反射，在荧光屏上只产生开始脉冲T和底部脉冲B，,有缺陷，一部分声波脉冲在缺陷处产生反射，另一部分继续传播到工件底部产生反射，这样在荧光屏上除了仍会出现开始脉冲T和底部脉冲B以外，还会出现缺陷脉冲F,2019/10/19,34,2019/10/19,35,（2）横波探伤法,用斜探头进行探伤的方法称横波探伤法。超声波的一个显著特点是：超声波波束中心线与缺陷截面积垂直时，探测灵敏度最高。如遇到如图7-8中所示的斜向缺陷时，用直探头虽然能探测出缺陷的存在，但并不能真实反映缺

15、陷的大小。如用斜探头探测，探伤的效果良好。因此在实际应用中，应该根据不同缺陷的性质、取向采用不同的探头进行探伤。有些工件的缺陷性质、取向事先不能确定，为了保证探伤质量，则应该采用不同种类的探头进行多次探测。,图7-8,2019/10/19,36,（3）表面波探伤法,表面波探伤主要是检测工件表面附近的缺陷存在与否，如图7-9所示。当超声波的入射角超过一定值后，折射角可能达到90，这时固体表面受到超声波能量引起的交替变化的表面张力作用，质点在介质表面的平衡位置附近作椭圆轨迹振动，这种振动称为表面波。当工件表面存在缺陷时，表面波被反射回探头，可在荧光屏上显示出来。,图7-9 表面波探伤,2019/1

16、0/19,37,2. 超声波流量计,图7-10是超声波流量计的原理图。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受探头（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。根据这两束波在流体中传播的速度不同，采用测量两个接收探头上超声波传播的时间差、相位差和频率差等方法可测出流体的平均流速，进而推算出流量。,图7-10 超声波流量计原理图,2019/10/19,38,（1）时间差法,设超声波传播方向与流体流动方向的夹角为 ，流体在管道内的平均流速为 ，超声波在静止流体中的声速为c，管道的内径为d。 超声波由反射探头F1至接收探头T1的绝对传播速度为:,超声波由反射探头F2至接收探头T2的绝对传播速度为:,2019/10/19,39,超声波顺流与逆流传播的时间差为,因为v c，所以,则体积流量约为,流速 及流量QV 均与时间差成正比，而时间差可用标准时间脉冲计数器实现。上述方法被称为时间差法。在