铁道车辆传感器技术—超声波传感器.pptx

项目一传感器技术任务8超声波传感器超声波换能器及耦合技术1.2超声波传感器概述010203超声波传感器应用

一、超声波传感器概述（一）超声波及其物理性质1.声波、超声波及应用人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象。

介绍：这是第三代超声波测距传感器的发射部分，其主要特点是采用变压器升压，加在发射头上的电压峰-峰值约60-80V，使得发射功率大大增加（发射时可听见“啪啪”声），这样一方面为增加距离提供可能；另一方面为提高精度打下基础，因为信号强，使得回波检测更加可靠。超声波测距传感器

2.超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。

表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面（界面）传播的波。表面波随深度增加衰减很快。

从震源发出的波动有两种成分:一种代表介质体积的涨缩，称为涨缩波，其质点振动方向与传播方向一致，所以又称纵波。另一种成分代表介质的变形，称为畸变波，其质点振动方向与传播方向垂直，所以又称横波。纵波的传播速度较快，在远离震源的地方这两种波动就分开，纵波先到，横波次之。因此纵波又称P波，横波又称S波。在没有边界的均匀无限介质中，只能有P波和S波存在，它们可以在三维空间中向任何方向传播，所以叫做体波。但地球是有限的，有边界的。在界面附近，体波衍生出另一种形式的波，它们只能沿着界面传播，只要离开界面即很快衰减，这种波称为面波。

3.超声波的传播特性（1）在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。超声波的频率越高，特性越与光波相似。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。

（2）超声波的衰减超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。气体介质密度很小，且频率较低，一般为几十KHZ，超声波衰减很快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。故超声波仪表主要用于固体及液体中。

二、超声波换能器及耦合技术超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。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。1.超声波换能器

一般的超声波发生器是利用超声波的逆压电效应而进行工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。

在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。

2.压电式超声波探头材料及类型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,而以压电式最为常用。常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。类型：（1）单晶探头。超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同状态；（2）双晶探头。它是由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片用于发射，另一片用于接收；（3）斜探头。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。

将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷