【2017年整理】10超声波传感器.ppt

第10章 超声波传感器 ;超声波传感器----利用超声波的定向反射和折射等特性,实现物理参数的测量.;10.1 超声波及其物理性质 ;其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2×104 Hz的机械波，称为超声波, 如图10-1所示。频率在3×108~3×1011 Hz之间的波，称为微波。 ; 2、 超声波在液体、固体中衰减很小，所以穿透本领大。对于光不透明的固体，而超声波却可穿透几十米，碰到杂质和界面有显著的反射。;10.1.1 超声波的波型及其传播速度 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。通常有： ① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； ② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； ③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 ; 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为 ;表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化 ; 从表10-1可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。;10.1.2 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质， 在两个介质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图10-2所示。 ;图10-2 超声波的反射和折射;由物理学知：;10.1.3 超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为;10.2 超声波传感器 ; 超声波探头结构如图10-3所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。;图10-3 压电式超声波传感器结构 ;10.3 超声波传感器应用 ; 图10-4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图10-4（a）所示。 由于超声波在液体中衰减比较小， 所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。 超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播， 如图10-4（b）所示。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。 ;图10-4 几种超声物位传感器的结构原理示意图 (a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播; 对于单换能器来说， 超声波从发射器到液面， 又从液面反射到换能器的时间为 ; 对于如图10-4所示双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而 ; 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下， 它的测量误差为±0.1%，检测物位的范围为1cm~10km。 ; ;图10-5 超声波测流量原理图; 如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则 ; 因此超声波传播时间差为 ;图10-6 超声波传感器安装位置 ;此时超声波的传输时间将由下式确定： ; 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状流体， 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。 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。 ;10.3.3 超声波传感器在医学上的应用;彩色B超原理：其实并不是看到了人体组织的真正颜色，而是在黑白B超图像的基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩色而形成的，即：计算机在获得内脏中流动液体的方向及流速的大小和特质后，利用围剿彩色技术加以描述，并叠加在二维黑白B超图像上，就形成了我们所见到的彩超图像。;10.3.4 超声波探伤（纵波探伤法）