8.1超声波测距系统的原理与设计.ppt

任务八 超声波传感技术及应用 项目一 超声波测距系统的原理与设计 【学习目标】 （1）了解超声波及其物理性质。 （2）了解超声波传感器的应用。 （3）理解超声波的性质与特点。 （4）掌握超声波传感器的工作原理。 【知识准备】 一、超声波及其物理性质 1.声波的分类 声波是一种可在气体、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。其中，频率在20Hz~20kHz的范围内时，可为人耳所感觉，称为声波；20Hz以下的机械振动人耳听不到，称为次声波；频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。 2.超声波的波形 由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向的不同，超声波的波形也不同。通常可分为如下几种： 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波的传播方向的波，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。 3.超声波的传播速度 超声波的传播速度取决于介质的弹性系数及介质的密度。气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为340m/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，通常认为横波声速为纵波声速的一半，表面波的声速约为横波声速的90％。 4.超声波的反射和折射 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，如下图所示。 满足反射定律 和折射定律 5.超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收 。 （1）扩散衰减 超声波在传播过程中，由于波束的扩散，使超声波的能量随距离增加面逐渐减弱的现象叫做扩散衰减。超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关。 （2）散射衰减 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象，称为散射衰减。散射衰减与材质的晶粒密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在屏上引起林状回波（又叫草波），使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。 （3）吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质中质点间内摩擦（即粘滞性）和热传导引起超声波的衰减，称为吸收衰减或粘滞衰减 。 二、超声波传感器的工作原理 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，在检测技术中主要采用压电式。下面以压电式超声波传感器为例介绍其工作原理。 压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。 下图为直探头的结构图。它主要是由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。 1－保护膜 2－吸收块 3－金属壳 4－导电螺杆 5－接线片 6－压电晶片 压电式超声波 传感器结构 三、超声波传感器的应用 1.超声波测距离 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波探头所接收。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。 2.超声波测厚度 双晶直探头中的压电晶片发射超声波振动脉冲，超声波脉冲到达底面时，被反射回来，并被另一件压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需要的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声波脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就是得到的厚度： 3.超声波测深度 超声波由超声换能器从水面垂直向下发射(称为垂直声纳)，如下图所示，发射超声波脉冲时会在示波管上出现发射脉冲的迹线，当发射的超声波(或声波)向下遇到海底时即被反射，该回波将被超声波传感器所接收，在示波管上即出现接收波脉冲的迹线。 若从发射波开始到接收波出现的时间间隔为T，海水中的声速为v，则水深h为 作业布置： * * *