第11章波式和射线式传感器概述.ppt

传感器课程电子教案 第一节 超声波式传感器 一、超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。 频率在20～2×104Hz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于20Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。 超声波的特性 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。 超声波从一种介质入射到另一种介质时，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用：如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。 1.超声波的波型 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。 ①质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。（可在固体、液体和气体中传播） ②质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。（在固体中传播） ③质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。（在固体的表面传播） 传播速度，取决于介质的弹性常数及介质的密度。气体中的声速为340m/s、液体中声速在900~1900m/s。 在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，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%。 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，在分界面上将发生反射和折射。 (1)反射定律 入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角α等于反射角α′。 (2)折射定律 入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波中介质的波速c1与折射波中介质的波速c2之比，即 3.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。其声压和声强的衰减规律如下： Px，lx——平面波在x处的声压和声强； P0，l0——平面波在x=0处的声压和声强； α——衰减系数。 二、超声波传感器的应用 1.超声波传感器 为了以超声波作为检测手段，必须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，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。 超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。 发射探头是利用压电材料的逆压电效应来工作的。逆压电效应将高频电信号转换成高频机械振动，以产生超声波。 接收探头利用正压电效应，则将接收的超声波振动转换成电信号。 超声波探头的具体结构如图  超声波探头结构 a)发射探头 b)接收探头 1—导线 2—压电晶片 　 1—导线 2—弹簧 3—音膜 4—锥形罩 3—压电晶片 4—锥形罩 2.超声波测厚 超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高，测试仪器轻便，操作安全简单，易于读数及实行连续自动检测等优点。 超声波测厚常用脉冲回波法。脉冲回波法检测厚度的工作原理如图 如果超声波在试件中的声速v是已知的，脉冲波从发射到接收的时间间隔T可以测量，那么可求出试件厚度δ为 如果在流体中设置两个超声波传感器（复合探头）, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为v。 基于单片机的超声波测距系统的研究与设计 在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。 超声波是指频率大于20 kHz，在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距。 由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力。 本设计以一对40 kH