超声波传感器

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1、2018/10/21,1,次声波 声波的分类 声波 超声波,声波是机械波，振动频率为20Hz20KHz。1、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，78Hz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。,概述：,超声波传感器,2018/10/21,2,2.可闻声波：频率20Hz20KHz。,2018/10/21,3,3.超声波：频率高于20KHz,蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食,2018/10/21,4,2、超声波应用举例 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,2018/10/21,5,压电陶

2、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,2018/10/21,6,超声波在医学检查中的应用,胎儿的B超影像,2018/10/21,7,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“

3、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。,2018/10/21,8,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）,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,2018/10/21,9,第一节 超声波传感器的结构及工作原理,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。

4、,2018/10/21,10,目前市场销售的超声波传感器有两种形式： 专用型 、兼用型 产品通常标有谐振中心频率： 23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。 超声波传感器有发射、接收两部分 发射元件利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波。 接收元件利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号。,一、超声波的传感器的工作原理,2018/10/21,11,利用压电效应的原理制成，是利用了压电的可逆效应即施加40KHz高频电压，压电片根据所加的高频电压极性伸长或缩短，于是发射频率是40KHz的超声波，利用了压电的逆压电效应。经被测物反射后接收器接受

5、，再利用压电材料的压电效应，转换成电荷，经测量转换电路，记录或显示结果。,典型外形及符号,2018/10/21,12,结构： 超声发射器 超声接收器 发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高 方向性。 接收器在共振盘上安装了阻抗匹配器以滤除噪声， 提高效率。,二、超声波传感器的结构,2018/10/21,13,以空气为传导介质的超声传感器结构,a） 超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束以空气为传导介质的超声传感器结构,2018/10/21,14,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电

6、磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、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。,三、超声波探头,2018/10/21,15,（一）以固体为传导介质的超声探头,a单晶直探头 b双晶直探头 c斜探头,2018/10/21,16,常用频率范围：0.510MHz 常见晶片直径：530mm,1、接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,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。,保护膜,接插件,2018/10/21,17,双晶直探头与单晶直探头的区别是： 结构： 由两个直探头组合而成，一个晶片是发

7、射超声波，另一个晶片接受超声波，两晶片间有隔离系统，发射和接受互不影响。 延迟块可以减少盲区，提高分辨能力。 优点： 虽然结构比单晶直探头复杂，检测精度高。控制电路简单。,2、双晶直探头,2018/10/21,18,接触法双晶直探头,结构：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。 优点：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。,发射晶片,接收晶片,2018/10/21,19,各种双晶直探头,焦距范围：540mm, 频率范围：2.

8、55MHz，钢中折射角：45 70,2018/10/21,20,3、接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）,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。,底部耐磨材料,接插件,2018/10/21,21,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,2018/10/21,22,双晶斜探头,2018/10/21,23,4、水浸探头 （可用自来水作为耦合剂）,选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。,2018/10/21,24,5、聚焦探头,

9、由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。,2018/10/21,25,聚焦探头原理及外形,水浸聚焦探头,2018/10/21,26,6、箔式探头,第七章压电式传感器介绍过利用PVDF高分子薄膜，制作出薄膜式探头，可以获得0.2mm的超细声，用在医用CT诊断仪器上获得高清晰图像。,2018/10/21,27,（二）以空气为传导介质的超声探头,a） 超

10、声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,2018/10/21,28,空气超声探头,2018/10/21,29,空气超声探头外形,2018/10/21,30,空气传导超声波电脉冲发生器,2018/10/21,31,四、耦合剂,1、探头不能直接放在被测介质中，以防磨损。 2、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

11、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。水式探头是指耦合剂。,2018/10/21,32,耦合剂,2018/10/21,33,第二节 超声波传感器的特性,1、频率特性：发射与接受的灵敏度都以中心频率向两边逐渐降低在使用中，一定用接近中心频率的交流电压来驱动超声波发生器。 产品通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。 2、超声波传感器的指向性：频率越高，指向角越小，越适合检测。 3、超声波传感器的温度特性：一般说温度越高，中心频率、灵敏度、输出声压电平越低。宽范围环境温度使用时，需温度补偿。 4、超

12、声波传感器的阻频特性：如果负载阻抗很大，频率特性尖锐谐振，这个频率点灵敏度最高，在使用时，应与输入阻抗较大的前置放大器结合。,2018/10/21,34,C,C,L,R,等效电路,超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中频率低的 fr：L、C、R产生的串联谐振频率；频率高的 fa：L、C、C产生的并联谐振频率超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。,超声波传感器的等效电路,2018/10/21,35,第三节 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

13、器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,2018/10/21,36,超声波传感器使用时的两种形式： 反射式、直射式,发射探头（TX）,接收探头（RX）,超声波传感器的工作方式:兼用型,2018/10/21,37,一、流量计,1、时间差法 时间差法测量流量原理：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。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速

14、度及流量。从下式看出，与声速有关所以受温漂影响,2018/10/21,38,超声波时间差法测流量演示,d,F1,F2,T2,T1,此安装方法方法为透射式,2018/10/21,39,一、超声波流量计,F1发射的超声波先到达 T1,2018/10/21,40,F1发射的超声波到达 F2的时间较短,2018/10/21,41,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,2、 频率差法测量流量原理： F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱

15、动电路，使F1发射第二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被测流速v成正比 。 结论：频率变化与声速c无关，所以温漂影响较小。,2018/10/21,43,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,F1,F2,此安装方法方法为反射式,2018/10/21,44,3、同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波仪表有限公司资料）,2018/10/21,45,超声波多普勒测量车速,多普勒效应,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相

16、同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。,2018/10/21,46,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,2018/10/21,47,二、超声波测厚,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。,2018/10/21,48,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 ：,