超声波传感器详解.pptVIP

超声波流量传感器 理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。 特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。 工作原理：传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积， 便可知道流体的流量。 第7章 超声波传感器 第7章 超声波传感器 超声波的波型及其传播速度 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气） 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固） 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。（固体表面） 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气） 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固） 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。（固体表面） 超声波的传播速度 取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。 在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为 E — 杨氏模量； ? — 泊松比； G —剪切弹性模量。 在气体和液体中，由于不存在剪切应力仅有纵波的传播，其传播速度c为 ρ——介质的密度； Bn——绝对压缩系数。 纵波 横波 表面波 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加，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、压强等也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为900～1900m/s。 地震发生后，能量通过波的形式传递，主要体现在纵波（P波）和横波（S波）上。P波的传递速度快，达到每秒6公里左右，可通过固体、液体和空气介质传递，而横波的传递速度慢一些，大约在每秒3.5公里，主要通过固体介质传递，两者属于体波的范畴。与体波相对应的是表面波，面波沿着地表传播，因此从破坏力上看，表面波的威胁最大，其次是横波和纵波。 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化 超声波的反射和折射 当波速一致时 入射波 ? ?′ 界面 介质1 介质2 反射波 折射波 （2）折射定律 c1—入射声波速, c2—折射声波速 （1）反射定律 I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强； ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗。 声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得: 当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则 若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质； 若ρ2c2ρ1c1, R≈1，则声波几乎全反射，透射极少。 当ρ1c1ρ2c2，R≈1，声波几乎全反射。 在20℃水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。 L ? ?1 界面 介质1 介质2 ?2 L1 L2 S1 S2 L—入射纵波； L1 —反射纵波； L2 —折射纵波 S1 —反射横波； S2—折射横波。 (3) 波型转换 当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时,除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射 如果第二介质为液体或气体，则仅有纵波，而不会产生横波和表面波。 （1）纵波全反射：折射波中便只有横波存在 （2）横波全反射：介质的分界面上只传播表面波。 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。其声压和声强的衰减规律为 式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；  x——声波与声源间的距离；  α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。 声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮 粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩