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1、10.1 超声波及其物理性质 10.2 超声波传感器 10.3 应用,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,10.1 超声波及其物理性质 波动:振动在弹性介质内的传播。 声波:频率在16-2104 Hz之间, 能为人耳所闻的机 械波. 次声波:低于16 Hz的机械波. 超声波:高于2104 Hz的机械波。 ,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,1.次声波,次声波是频率低于16赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7-8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,2.可闻声波,美妙的音乐可使人陶醉。,3.超声波,
2、蝙蝠能发出和听见超声波。,压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。,超声波塑料焊接机,超声波金丝焊接机,超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，类似于光波。,便携式超声波探鱼器,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 B超影像,超声波清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,超声波物理基础,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。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，
3、超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。,10.1.1 波形及其转换 有: 纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波; 横波质点振动方向垂直于传播方向的波; 表面波质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表面传播的波。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,纵波,横波,表面波,横波只能在固体中传播， 纵波能在固体、液体和气体中传播, 表面波随深度增加衰减很快。 ,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,10.1.2 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_折射。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器
4、,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,当波在界面上产生反射时, 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,波在界面处产生折射时, 入射角的正弦与折射角的正弦之比, 等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比, 即,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,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, 其声压和声强的衰减规律为 Px=P0e-x Ix=I0e-2x 能量的衰减决定于声波的扩散、 散射和吸收,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 波与
5、射线传感器,目前市场销售的超声波传感器有两种形式： 专用型 、兼用型 通常标有谐振中心频率： 23KHz、40KHz、75KHz、200 KHz、400 KHz。 超声波传感器有发射、接收两部分 发射元件；利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转 换为机械振动产生超声波； 接收元件；利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换 为电信号。,10.1 超声波传感器 10.1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 波与射线传感器,不同超声波传感器工作方式 超声波传感器使用时的两种形式： 反射式（TX）直射式（RX）,10.1 超声波传感器 10.1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章
6、 波与射线传感器,10.1 超声波传感器 10.1.2 超声波传感器,10.2 超声波传感器,超声波换能器、 探测器或传感器 超声波探头可分为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等.,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,各种超声波探头,常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）,压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测
7、介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。,底部耐磨材料,接插件,各种接触式斜探头,常用频率范围：1-5MHz,接触法双晶直探头,将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,各种双晶直探头,焦距范围：5-40mm, 频率范围：2.5-5MHz，钢中折射角：45-70,接触法双晶斜探头（续）,水浸探头,选择声透镜形状，可决定聚焦形式
8、为点聚焦或线聚焦。,超声波探头中的压电陶瓷芯片,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。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和电压。,压电陶瓷的主要性能指标,1) 介电常数 ：1000-6000 2) 压电灵敏度D33 ：300-600pC/N 3) 机械品质因素Q：100-2000 4) 居里温度：300-400 C 5）静电容：1000 - 100000pF（与面积有关） 6）频率范围： 用于超声清洗：30-100KHz 用于探伤仪及流量计：2.5-5MHz 用于雾化器：1-2MHz,空气超声探
9、头（续）,空气超声探头外形,空气超声探头外形（续）,空气传导超声波电脉冲发生器,超声波探头,主要由压电晶片、 吸收块（阻尼块）、 保护膜组成。 超声波频率f与其厚度成反比。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,10.3 应用,10.3.1 物位传感器 利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。 从发射超声脉冲开始, 到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知, 可以求出分界面的位置, 这种方法可以对物位进行测量。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,根据发射和接收换能器的功能, 分为单换能器和双换能器。 单换能器的传感器发射和
10、接收超声波均使用一个换能器, 双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,对于单换能器来说, 超声波从发射到液面, 又从液面反射到换能器的时间为,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,对于双换能器来说, 超声波从发射到被接收经过的路程为2s, 而 s = 液位高度为 h = （s2-a2）1/2 只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间, 便可以求得待测的物位。 ,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器, 10.3.2 流量传感器 超声波流量传感器: 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听
11、声法等。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 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。 ,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,在流体中设置两个超声波传感器, 它们可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。 如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为v, 则,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器, t1 = t2 = 流体的流速远小
12、于超声波在流体中的传播速度, 超声波传播时间差为,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,t = t2-t1= 由于c v, 从上式便可得到流体的流速, 即 v = ,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,在实际应用中, 超声波传感器安装在管道的外部, 从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,超声波测厚,超声波测密度原理示意图,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,超声防盗报警器电原理框图
13、,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,穿透法探伤结构图,反射法探伤结构图,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,表面波探伤,超声波诊断仪原理框图,(1)可不影响流体流动来测量流速。 (2)只要是能传播超声波的流体，都能够测量，它可测量高粘度流体，非电导流体和气体等流速。 (3)应用范围广，例如可测血液流速，可测河流等流速。 (4)对超声波能透过的流管，还可以进行管外测管内流体的流速.,超声波流量传感器的特点:,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,传感器原理及应用,第10章 波与射线传感器,10.1 超声波传感器 10.1.2 超声波传感器,超声波探头结构 动画演示,传感器原理及
14、应用,第10章 波与射线传感器,10.1 超声波传感器 10.1.4 超声波传感器应用,传感器原理及应用,第10章 波与射线传感器,10.1 超声波传感器 10.1.4 超声波传感器应用,传感器原理及应用,第10章 波与射线传感器,10.1 超声波传感器 10.1.4 超声波传感器应用,其它应用,当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型； 透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型； 反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,超声波传感器应用举例,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,质量检查
15、,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,超声波传感器 应用举例（续）,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,超长距离检测,超声波传感器 应用举例（续）,流水线计数,超声波传感器 应用举例（续）,一、超声波流量计,F1发射的超声波先到达 T1,F1发射的超声波到达 F2的时间较短,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,同侧式超声波流量计的使用,超声波流量计现场使用,超声波多普勒测量车速,手持式超声波测厚仪,超声波测厚,石料
16、测厚,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,双晶超声波测厚探头,双晶超声波测厚探头（续）,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,无损探伤,无损探伤的基本概念 人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。,路轨断裂事故,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。 它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,A型超声波探伤,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,钢轨探伤车,滑板式探头,高速钢轨探伤车,铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）,铁路钢轨探头,铁路钢轨对接焊缝探测用探头,缺陷,铁路钢轨探伤用滑板式探头,焊缝,管道环焊缝 超声波检测装置,管道环焊缝超声波检测装置原理,超声探伤仪,构件的超声探伤,构件的超声探伤（续）,构件的超声探伤,探头回波脉冲形状和频谱,超声波及其物理性质,波形及其转换,反射和折射,超声波的衰减,超声波传感器,探测器或换能器,应用,物位传感器,流量传感器,小结,传感器原理及应用,第10章 超声波传感器,