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当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 第十章 超声波传感器
GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用gongguoyou第十章超声波传感器GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》一、超声波及其物理性质波动(简称波):振动在弹性介质内的传播。声波:其频率在20~20KHz之间,能为人耳所闻的机械波.次声波:低于20Hz的机械波超声波:高于20KHz的机械波微波:频率在3×108~3×1011Hz之间的波1、超声波的基本概念GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》图5.72声波频率的界化分示意图GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》2、超声波的特点:指向性好,能量大,固体的穿越本领大,在遇到介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时,能产生发射、折射和波形转换等现象.3、超声波传感器应用举例主要用于超声波无损探伤、厚度测量、流量测量、超声显微镜及超声成像。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》3、超声波传感器应用举例质量检查紧固件的安装错误检测GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》叠放高度测量3、超声波传感器应用举例GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》物件放置错误检测3、超声波传感器应用举例GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》纸卷直径检测3、超声波传感器应用举例GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》流水线计数3、超声波传感器应用举例GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》4、超声波的物理性质超声波的波型超声波的的声速、波长和指向性超声波的反射和折射超声波的衰减GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波的波型:纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波,称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播;横波——质点振动方向垂直于传播方向的波,称为横波。它只能在固体中传播;表面波——质点的振动介于纵波与横波之间,沿着表面传播,振幅随深度增加而迅速衰减的波,称为表面波。测量时多采用纵波GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》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。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》表面波振动轨迹是椭圆型,在固体表面传播。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》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nBc1式中:ρ——Bn——绝对压缩系数。上述的ρ、Bn都是温度的函数,使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。超声波的声速、波长和指向性:GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波的声速、波长和指向性:纵波、横波及表面波的传播速度,取决于介质的弹性常数、介质密度及声阻抗。气体和液体中只能传播纵波,其中气体中的声速为344m/s,液体中声速在900~1900m/s。在固体中,纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系,通常可认为横波声速为纵波声速的一半,表面波声速约为横波声速的90%。(1)声速zcGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》常用材料的密度、声阻抗与声速(环境温度为0℃)材料密度声阻抗纵波声速横波声速钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92-水(20C)1.01.481.48-油0.91.281.4-空气0.00130.00040.34-33/10Kgm33/10ZMPas1/LcKms1/scKmsGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波的声速、波长和指向性:超声波的波长λ和频率f的乘积恒等于声速c(2)波长fcGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波的声速、波长和指向性:超声波声源发出的超声波速以一定角度逐渐向外扩散.指向角θ与超声波直径D以及波长λ之间的关系为:(3)指向性sin1.22/DGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》例题:设超声源的直径D=20mm,射入钢板的超声波频率为5MHZ,求指向角。0sin1.22/(1.221.18)/200.074D可见:超声波波源的指向性是十分尖锐的.GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波的反射和折射超声波的反射和折射超声波的各种波型都符合发射和折射定律。当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时,除有纵波的反射和折射外,还发生横波的反射和折射。某种情况下,还能产生表面波。21sinsinccGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时,入射角α的正弦与折射角β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21sinsincc超声波的反射和折射GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》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满足以下函数关系:xxeII20xxePP0式中:xP、xI——声波在距声源x处的声压和声强;x0P0I——声波在声源处的声压和声强;x——声波与声源间的距离;——衰减系数。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波传感器习惯上称超声波换能器,或超声波探头。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。超声波传感器有发送器和接收器。专用型:发送器用作发送超声波,接收器用作接收超声波。兼用型:发送接受为同一部件。二、超声波探头及耦合技术1、超声波探头GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》2、超声波探头工作原理:超声波探头的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式。检测中常采用压电式。工作原理:逆压电效应将高频振动转换为高频机械振动,产生超声波,作发射探头。利用压电效应将接收到的超声振动转换成电压信号,作为接收探头。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波探头结构如图所示,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。阻尼块的作用:降低晶片的机械品质,吸收声能量。如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡,加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变差。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》金属壳吸收块保护膜接线片压电晶片导电螺杆压电式超声波传感器结构GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》(1)超声波发生器原理电致伸缩效应: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。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》压电材料的固有频率: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。——共振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。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》(2)超声波接收器原理压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的。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。压电晶体超声波GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》各种超声波探头常用频率范围:0.5~10MHz,常见晶片直径:5~30mm(1)、单晶直探头(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GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》单晶直探头原理超声脉冲电压输入端接地端用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量,防止杂乱反射波,提高分辨率防止压电晶片磨损工件单晶直探头的发射和接受处于分时工作,用电子开关来切换。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》(2)、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GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》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:45~70GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》(3)、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GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》各种接触式斜探头常用频率范围:1~5MHzGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》(4)、聚焦探头由于超声波的波长很短(毫米数量级),所以它也类似光波,可以被聚焦成十分细的声束,其直径可小到1mm左右,可以分辨试件中细小的缺陷,这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波;也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜;也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》水浸探头(可用自来水作为耦合剂)选择声透镜形状,可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》超声波探头中的压电陶瓷芯片GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》(3)耦合剂超声探头与被测物体接触时,探头与被测物体表面间存在一层空气薄层,空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波,造成干扰,并造成很大的衰减。为此,必须将接触面之间的空气排挤掉,使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中,经常使用一种称为耦合剂的液体物质,使之充满在接触层中,起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》三、超声波传感器的应用超声波测厚超声波测物位超声波测流量超声波探伤GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》1、超声波测厚(P196~197)脉冲回波法检测厚度方框图脉冲回波法/2vt优点:量程大,无损,便鞋;缺点:测量精度与材料的材质有关对于声衰很大的材料以及表面凹凸不平或形状很不规则的零件,测厚比较困难。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》手持式超声波测厚仪GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》2、超声波测物位22cthcht2cts(d)(c)(b)(a)几种超声波检测物位的结构示意图22ashGgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》对于单换能器(ac)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22cthcht则式中:h——换能器距液面的距离;c——超声波在介质中传播的速度。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》对于如图(bd)双换能器,超声波从发射到接收经过的路程为2s,而2cts因此液位高度为22ash式中:s——超声波从反射点到换能器的距离;a——两换能器间距之半。GgongguoyouEXIT《传感器原理及应用》从以上公式中可以看出,只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔,便可以求得待测的物位。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10-2~104m。Ggongg
本文标题:第十章 超声波传感器
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