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1、传感器技术,任课教师：刘 佳Tel：13951754608Email：,超声波传感器,超声波的概念振动在弹性介质内的传播称为波动。 声波是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。根据声波频率的范围，声波可分为次声波、声波和超声波。 声波频率在 16-2104Hz 之间、能为人耳所闻的机械波 次声波：频率低于16 Hz 的机械波 超声波：频率高于2104Hz的机械波,信息与控制学院仪器系,2,超声波传感器,超声波及其物理性质,信息与控制学院仪器系,3,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,4,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
2、作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,次声波,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,5,美妙的音乐可使人陶醉,次声波,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,6,蝙蝠能发出和听见超声波。,超声波,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,7,蝙蝠依靠超声波捕食,超声波传感器,超声波的概念超声波波长、频率与速度的关系为：,信息与控制学院仪器系,8,超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。 它最显著的特性是方向性好，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明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。,超声波传感器,超声波的波形由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波型也有所不
3、同。通常有：纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。横波：质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播。表面波：质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波随深度增加衰减很快，只能沿着固体的表面传播。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。,信息与控制学院仪器系,9,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,10,纵波,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,11,横波,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,12,表面波,超声波传感器,超声波的传播速度纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播
4、纵波，气体中声速为344 m/s，液体中声速为900-1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系。 通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90% 。,信息与控制学院仪器系,13,超声波传感器,超声波的反射和折射,信息与控制学院仪器系,14,。,超声波传感器,超声波的反射和折射,信息与控制学院仪器系,15,。,超声波传感器,超声波的衰减超声波在介质中传播时，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满足以下函数关系：,信息与控制学院仪器系,16,-距声源x=0处的超声波声压和声强,超声波传感器,超声波的衰减超声波在介质中传播，能量的衰减决
5、定于超声波的扩散、散射和吸收。声波扩散引起的衰减在理想介质中，超声波的衰减仅来自于超声波的扩散。由于声波扩散能量逐渐分散，使单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱，并且声压强也随之减弱。,信息与控制学院仪器系,17,超声波传感器,超声波的衰减散射引起的衰减声波在传播过程中遇到不同声阻抗介质组成的界面时， 将产生散射， 实际材料的金属结晶组织的不均性或界面的晶粒粗大引起的散射， 使部分超声波能量以热能的形式损耗。介质吸收引起的衰减由于介质的粘滞性而造成质点间的内摩擦， 从而将消耗部分声能， 并且介质的热传导及介质的稠密和稀疏部分之间的热交换都能导致声能的损耗。,信息与控制学院仪器系,18,
6、超声波传感器,超声波传感器的工作原理要以超声波作为检测手段，必须能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。超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式 、电磁式等，以压电式最为常用。,信息与控制学院仪器系,19,超声波传感器,超声波传感器的工作原理 压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷。 根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器(发射探头) 和接收器(接收探头) 两种。,信息与控制学院仪器系,20,超声波传感器,超声波传感器的工作原理 压电式超声波传感器压电式超声波发生器是利用逆
7、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。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。 压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。,信息与控制学院仪器系,21,超声波传感器,超声波传感器的工作原理 压电式超声波传感器压电式超声波接收器是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便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。 压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用
8、途。,信息与控制学院仪器系,22,超声波传感器,超声波传感器的工作原理 压电式超声波传感器典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。 压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。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。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。,信息与控制学院仪器系,23,超声波传感器,超声波传感器的工作原理 磁致伸缩式超声波传感器铁磁材料在交变的磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象，称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的强弱即材料伸长缩短
9、的程度，因铁磁材料的不同而各异。镍的磁致伸缩效应最大，如果先加一定的直流磁场，再通以交变电流时，它可以工作在特性最好的区域。 磁致伸缩传感器的材料除镍外，还有铁钻钒合金和含锌、镍的铁氧体。它们的工作效率范围较窄，仅在几万赫兹以内，但功率可达十万瓦，声强可达几千瓦每平方毫米，且能耐较高的温度。,信息与控制学院仪器系,24,超声波传感器,超声波传感器的工作原理 磁致伸缩式超声波传感器磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为0.1-0.4mm的镍片叠加而成，片间绝缘以减少涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等。磁致伸缩式超声
10、波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场( 即导磁特性) 发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。,信息与控制学院仪器系,25,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,26,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）,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,27,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
11、，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。,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,28,超声波传感器的应用,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,29,超声波传感器的应用,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测厚在脉冲回波法测量试件厚度时，超声波探头与被测试件某一表面相接触。由主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后加在超声波探头上，从而激励超声波探头产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测试件另一表面后反射回来，被同一探头接收。若已知超声波在被测试件中的传播速度v，设试件厚度为 d，
12、脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，则可求出被测试件厚度为,信息与控制学院仪器系,30,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测厚用超声波传感器测量零件厚度，具有测量精度高，操作安全简单，易于读数，能实现连续自动检测，测试仪器轻便等诸多优点。但是，对于声衰减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状极不规则的零件，利用超声波实现厚度测量比较困难。,信息与控制学院仪器系,31,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,32,手持式超声波测厚仪,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,33,石料测厚,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,34,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,超声波传感器,信息与控制学院
13、仪器系,35,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。,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测物位存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位；固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在位置称为料位。两者统称为物位。超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性而工作的。,信息与控制学院仪器系,36,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测物位根据发射和接收换能器的功能，超声波物位传感器可分
14、为单换能器和双换能器两种。单换能器在发射和接收超声波时均使用一个换能器，而双换能器对超声波的发射和接收各由一个换能器担任。,信息与控制学院仪器系,37,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测物位超声波传感器可放置于水中，让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使产生的超声波脉冲幅度较小也可以传播。超声波传感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。如果从发射超声波脉冲开始，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，利用这种方法可以实现对物位的测量。,信息与控制学院仪器系,38,超
15、声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测物位,信息与控制学院仪器系,39,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测物位对于单换能器来说，超声波从发射到液面，又从液面反射回换能器的时间间隔为：,信息与控制学院仪器系,40,对于双换能器来说，超声波从发射到被接收经过的路程为2s,。,s超声波反射点到换能器的距离a两换能器间距之半,超声波传感器,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测物位超声波物位传感器具有精度高、使用寿命长、安装方便、不受被测介质影响、可实现危险场所的非接触连续测量等优点。其缺点是：若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为士0.1% ，
16、测量范围为10-2-104m。,信息与控制学院仪器系,41,超声波传感器,信息与控制学院仪器系,42,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。,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测流量超声波测量流体流量是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。图中v为被测流体的平均流速，c为超声波在静止流体中的传播速度，为超声波传播方向与流体流动方向的夹角( 必须小于 90 度),A、B 为两个超声波换能器，L为两者之间距离。,信息与控制学院仪器系,43,超声波传感器,超声波传感器的应用 超声波测流量 时差法 相位差法 频率差法,信息与控制学院仪器系,44,超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，实现了非接触测量。它可测流体种类很多，不论是非导电的流体、高黏度的流体、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，还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。,
