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速度传感器及工程应用.ppt

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速度传感器及工程应用

8.4.2超声波传感器 超声波传感器又称作超声波换能器。习惯上人们把它称作超声波探头。它的主要功能是发射和接收超声波。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等多种形式,其中以压电式最为常用。 图8?15 压电式超声波探头结构 1. 压电式超声波探头 电式超声波探头的结构如图8?15所示,它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线、外壳等组成。 图8?15 压电式超声波探头结构 2. 压电式超声波探头的主要指标 1)工作频率f0 工作频率就是压电晶片的固有振荡频率。其值与压电晶片的厚度δ成反比。即 式中,E11为晶片沿x轴方向的弹性模量;ρ为晶片的密度。常见的超声波探头工作频率有40、100kHz和200kHz等多种。 2)工作温度 工作温度是超声波探头能可靠长时间工作的环境要求。 3)灵敏度 灵敏度也是超声波探头的一个重要指标。灵敏度越高越好。 (8-18) 3. 压电式超声波探头的优点 ① 无任何机械传动部件,可实现非接触式测量。不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等。 ② 既可以测流速、流量,也可以测料位、液位、物距及无损探伤等;并且对黏稠、腐蚀性、浑浊等各种液体的液位测量,效果最佳。 ③ 性能稳定、可靠性高、寿命长、响应时问短,可以方便地实现无滞后实时测量。 4. 压电式超声波探头的型号 它有多种不同的结构形式,按其用途可分为直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、一体式探头和分体式探头等多种。 5. 超声波传感器检测原理 通常超声波传感器的检测方式有反射式和直射式两种。反射式是将发射探头和接收探头放置在被测物体的同一侧;直射式是将发射探头和接收探头放置在被测物体的两侧。它们的基本原理都是通过超声波的发射和接收来实现检测的。图8?16是超声波发射/接收系统结构框图。 图8?16 超声波发射/接收系统结构框图 1)超声波产生发射电路 超声波发射电路种类繁多,下面介绍几个常用电路。 图8?17是一个由CD4069门电路组成的超声波产生发射电路。图中H1、H2与RP、C1组成RC振荡电路,适当选择RP可使它产生40KHz的电压信号。 H3~H6组成超声波探头驱动电路,再经过C2给超声波探头UCM40T提供40KHz的超声波电压信号。 图8?17 由门电路组成的超声波产生发射电路 图8?18是由脉冲变压器构成的超声波产生发射电路。图中OSC为频率可调的振荡器,晶体管VT和脉冲变压器T构成驱动电路。适当调整Rp,可使OSC产生40KHz的输出电压信号,经脉冲变压器T进一步升压后加给超声波探头MA40S2S。 图8?18 由脉冲变压器组成的超声波产生发射电路 2)超声波接收放大电路 超声波接收放大电路种类繁多,下面介绍几个常用电路。 图8?19是一个由晶体管VT构成的超声波接收放大电路。 图中MA40S2R是超声波接收探头,用于接收反射超声波;晶体管VT负责把超声波探头输出的微弱模拟电压信号放大成较大的电压信号,共测量和显示使用。 图8?19 由晶体管构成的超声波接收放大电路 若要使输出信号为脉冲信号,可采用图8?20所示的接收电路。图中LM393是集成比较器,它把超声波探头输出的微弱电压信号转变成同频率的脉冲电压信号,属于数字输出,可直接作为计算机的输入信号使用,方便与计算机连接。 图8?20 由比较器组成的超声波接收电路 8.4.3 超声波流速传感器 1. 超声波测量流速原理 如果在流体中安置两个一体式超声波探头B1和B2,它们既可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,另一个装在下游,其距离为l,如图8?21所示。 图8-14 超声波测流速原理图 假设流体静止时,超声波在它中的传播速度为c,流体流动速度为υ,顺流方向的传播时间为t1,逆流方向的传播时间为t2,则 (8-19) (8-21) (8-20) (8-23) 超声波在流体中的传播时间差为 一般来说,cυ,则c2-υ2≈c2 ,式(8-8)可写成 2. 超声波流速传感器的结构 在实际应用中,超声波传感器都安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波,而不会给管道内流动的流体带来影响,其安装位置如图8-22所示。 图8?22 超声波流速传感器测量系统结构框图 此时超声波的传输时间将由下式确定: (8-24) (8-25) 式中,D为管道的直径;θ为探头B1和B2连线与管道直径D的夹角。 令△t=t2-t1,则流体的流速可由下式算出 式中,△t为超声波在流体中从B1到B2往返一次的时间差。 8.5 光电式转速传感器 8.5.1 基本结构 图8?23是两种常见的光电式转速传感器结构,它由调制盘和光电开关组成。 图8-23 常见的光电式转速传感器结构 8.5.2 测速

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