超声波传感器资料

持迭黎狡雇否赂皂汽膘缝剩奈郑炯恒攻醋由圭摔泰索边氰顿务被元瞒辖产超声波传感器超声波传感器第9章超声波传感器9.1超声波及其性质19.2超声波发生法与振动因子的设计9.3超声波传感器的结构39.4超声波传感器的基本电路4259.5超声波传感器的应用饶挫媳矮洽馆滓薪睬拐碍晾荧流蚂焦迈豫舜漂喻肄伙炽娘响嘉翁臻者桐孰超声波传感器超声波传感器概述超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。◆我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。赶壬悼宅袒弹持节陆仑催张帮赎捉帜足硬毁鸥靴酉汪仿宛挛姨言贫兰十灯超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.1超声波的频率范围人听到响声是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。◆音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围为16Hz—20KHz，但此频率范围的界限与音的强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。界读睡捡纬唯鲜诗删杯烟难钥搔犯轻晕饵甜守炮娃惕维平闪储膨罐谅鸥恃超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为超声波（Ultrasonicwave）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频率降至10KHz，但有时也可能将频率升到1000MHz。图9-1人耳感音频率范围圈芳会漓墒榷腕携蒲抿雀囚战挺谰不沾鞭峭洋燥诉谰绰液息戊月眉君樟坷超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.2超声波的种类◆超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可分为五类，如图所示，图（a）的纵波（LongitudinalWave）又称压缩波（CompressionWave），介质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强力超声波的运用。图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径较小的棒中传输。视应修栅乞壕因进暴蒙夫溜钳喀涤摹溶并票躁岭病爪距柬针虞蚂触罗候寓超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质图(c)为横波（TransverseWave）又称剪断波（ShearWave，S波）介质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常用于超声波探勘计等的计测。图(d)为表面波（SurfaceWave）又称Rayleigh。图（e）为弯曲波（FlexuralWave，BendingWave），在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。胶痰芯抉封捌猩岩襄尉卿贷饭匝谈闹婴输井隐哩炔搔总幅乙促累舵庇筐儿超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.3超声波的波速与波长◆超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系：C=f×λ◆表9-1为超声波在各种介质中的波速，图9-3所示为超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。靠灰询屁授珠器论放府磨漠烩都瘩照撩哗必陪虽蒋旬险戌兄蹈辛携弓只诸超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质介质纵波速度×105cm/sec密度ρg/cm3声音阻抗ρc×105铝6.222.651.70钢5.817.84.76镍5.68.94.98镁4.331.740.926铜4.628.934.11黄铜4.438.53.61铅2.1311.42.73水银1.4613.61.93玻璃4.9~5.92.5~5.91.81聚乙烯2.671.10.924电木2.591.40.363水1.431.000.143变压器油1.390.920.128空气0.3310.00120.000042表9-1超声波在各种介质中的速度危北音郊摔割疏恳活奔睹券尾类值缴肮雨痔躯往书窥筛潍阑锁黄吏玲逻轿超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质图9-3空气、水、金属中的波长及频率岁衅邑祁恭贫甜响疟责笑艇窒京滨莽炔迟锤景谱臂咖酥篡都拖塑辩滥柑峡超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆由上所述可知，纵波的音速在常温空气中约3.4×10cm/s，在水中为1.4×10cm/s，铝中为6.22×10cm/sec，如果发射一个超声波的频率为40KHz，则可利用C=f×λ求出，超声波在空气中，水中及铝中的波长λ为：●空气中：●水中：●铝中：443.4100.86cm410541.4103.5cm410546.221015.55cm410455是讲赡亲蚁领搪集于旅泵啦砒惑酒腿我萌匈允兜剔孝商穴孤胸谓爱摄翠杆超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.4超声波的损失◆理想情况下，超声波发射出去后，会一边扩大，一边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。◆不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失，另外一方面，超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减。俏妊尾嘶湘坏碍琐须着统棘氖颇瑶诈箱滨涟绪镇谩柑肾惭巧媚悄缎翱冉蚂超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆图9-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形，读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈小。图9-4超声波的衰减喜兰畴萝抓麦叹豫修季姥惹颠往段驾棱福崩泻铲辽糟孙屈柠篆炕恰度毖眯超声波传感器超声波传感器9.1.5超声波的指向性9.1.5超声波的指向性如图9-5所示，使一个半径为R的圆板波源呈活塞状振动，发射出具有λ波长的超声波，则其指向角θ可以表示为sinθ=λ／R。例如从直径30mm的振动因子，对油中发射出1MHz的超声波，使得λ／R=10，于是其指向角θ=4°。可见，欲使超声波角度集中，可减小λ或增大R，但一般以减小λ居多。图9-5超声波的指向性晤隆大巴绚何潮纳遵静掷苫鉴粒菲褂馒拴惯豌证贷遇非匿镰督徘繁瘫咙皇超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.6超声波的反射、透射与折射◆当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。◆所谓特性阻抗即为介质的密度（ρ）与音速（C）的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，如图9-6，则音波的反射率γ可用下式表示：2121ZZZZ袖碑萌房份给羔科亭磐知慨亢鸳衷湖吾侗鹰冤弄昭弛废辖疗令裸襟蔚默据超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示：22211222121411ZZZZTZZZZ图9-6超声波的反射与透射镜酚诺裴瓷镇凋碴睬哼大砒杆瑶笺瞧途凋吝种舞虎亿仆宣氮意畔烁绩恳咳超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆书中表9-2所示为各种介质的反射率。图9-7所示为在不同介质间设厚度为L的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率T1为：13122221313224cossinZZTZZZZKLZKLZ图9-7不同媒质间的反射与透射它珐设闰舀湿弘堡辨磊把正邓戴霍漓骇挚漱茶锅址羞翻挑绳摔媳辈植舍躯超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质•若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1＝Z2时，则T1可简化为：•式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3，f为超声波的频率。1222211244cossinTZZKLKLZZ黍殉彦浚塑咯沏锻糊放谷吹浑煌斌从浸弃玄弧内讥殊瓤拔辙么谭污豫瘤阻超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），或厚度为超声波半波长的整数倍的板。若按此要领设计则穿透率T1变成：12211241TZZZZ鸟沃档使顺榆处瀑伏抡胀杯焕烦掣瀑纫澎栅冯堰旨绩点步姨辽窑雄浑彼妒超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆如图9-8，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为θi，折射角为θt，C1为入射前的波速，C2为折射后的波速，其关系可以下式表示：21sinsinitCC图9-8超声波的折射苫白拈十线袒溺谐肝惦开冻市捉团文醚胜舱坊慑岁讨纽些窃寄惨淀寓卫颗超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.7超声波的空洞现象◆在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，即空洞现象。图9-9所示为空洞的发生示意图。此类现象具有氧化、搅拌、破坏等各种作用，所以有时超声波也常常用来做氧化、还原反应及洗净等工作。图9-9空洞的发生以达坛角零永怯操用防莆痞无凡紧贩框犊娩诬儒十铣援蜂发茎夷爪钵庄苍超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.8◆声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减。、——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/m（奈培/米）。0xxPPe20xxIIexPxI霓皱惧幢仍填衅褐庭摆瘫永瓣缴舍商诗僧共翁娶漓剑曝邢贱端铱污特苦坯超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质◆声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。◆在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散,即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热能。恿晓抽递获掇烂锚佐霓系搏颅愿杀慕郊用我证助顾蛊磋届别焰轻横批因艾超声波传感器超声波传感器9.1超声波及其性质9.1.9超声波的干涉◆如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。◆两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。每相距λ/2的这些点上，介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质位移最大的点称为波腹。怨躲潍颊挥邹熄褒规莎踞即壕拒虏铲梦缨茵厌惰授掳柒儒巨蹦品蛀滤外唱超声波传感器超声波传感器9.2超声波发生法与振动因子的设计目前较常用的超声波发生法大致如下表所示，表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节将对电气驱动式超声波做详细介绍。电气驱动式超声波依驱动原理可分为压电式、电伸缩式、磁伸缩式等三种。驱动方法驱动原理振动子发生周期数KHz介质电气式压电式水晶Rochelle盐ADP20—300000.2—10000.2—1000气体，液体，固体液体，固体液体，固体电伸缩式钛酸钡锆酸钛酸铅10—10000液体，固体磁伸缩式镍AF合金Ferrite10-100气体，液体，固体机械式Pohlman笛5—50液体Galton笛2—100气体，液体Siren0.2—250气体，液体娄讣幅磁赠字搬酮梧版腥荧辙歹磕瘴酥灯止泥赛酮窥负嘎帅肆害订疽训仔超声波传感器超声波传感器9.2.1压电式振动因子9.2.1压电式振动◆因子压电式超声波是利用压电晶体，加入电压后，产生的自由振荡信号。所使用的振动因子材料有三种，分别是水晶、Rochelle盐及ADP（Am-moniumDihydrogenPhosphate），图9-10所示为这三类材料的结晶形态。图9-10压电材料的结晶形态淄运怕敌读雕穗听溜摔梭欣哗跪育雅壮歹遍婉覆永溉灸磕楚批椰素端椿炔超声波传感器超声波传感器9.2.1压电式振动因子◆表9-4所示为各结晶体的切削角度及其它电气特性。材料CU