西南交大自动检测技术课件-第八章-----超声波传感器

第八章超声波传感器一、定义超声波传感器：根据超声波的特性实现声电转换，完成非电量检测的装置。声波是机械波。超声波是机械波的一种，超声波的频率高于20kHz。超声波特性：波长短，绕射现象小；方向性好，能定向传播；超声波在传播过程中衰减很小。超声波在工业和医学领域有着广泛的应用。二、超声波的传播特性振荡源在介质中可产生三种形式的振荡波；横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波与横波之间，沿表面传播的波。说明：横波只能在固体中传播；纵波能在固态、液体和气体中传播；表面波随深度的增加而衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波。（一）超声波的传播速度超声波也与其它声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。1、在气体和液体中，其传播速度c为aqBc11式中ρ——介质的密度；Ba——绝对压缩系数。2、在固体中，其传播速度为：21)(pEcq式中E——杨氏模量；（二）超声波的物理性质当超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；反射定律：入射角与反射角的正弦之比等于入射波与反射波的速度之比。另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续传播，称之为折射波，AxeII20式中I0——距离声源x=0处的声强；x——超声波与声源间的距离；A——衰减系数，（三）超声波的衰减超声波在一种介质中传播时，其声强按指数函数规律衰减。距离声源x处的声强I的衰减规律如下折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于介质1中入射波的波速与介质2中折射波的波速之比。（四）超声波的波型转换当超声波以某一角度入射到第二介质（固体）界面上时除有纵波的反射、折射波外，还会有横波的反射和折射，在一定条件下，还能产生表面波。若介质为液体或气体，则仅有纵波。二、超声波传感器超声波传感器实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头：能发射超声波信号，又能接收发射出去的超声波的回波，并将其转换成电信号的装置。超声波探头可分为：直探头、斜探头、双探头和液浸探头。直探头、斜探头结构主要为：压电晶片、内部接线片、导线细杆、金属外壳、接线柱等。双探头（组合式探头）：在一个探头内安装2块压电片，分别用于发射和接收，并内装有延迟块，使超声波延迟一段时间再射入工件。超声波探头按其工作原理可分为：压电式（电致伸缩式）、磁致伸缩式等。实际使用中采用压电式探头最为常见。（一）超声波发生器1、超声波的发生超声波发生器组成：换能器产生高频电流或电压的电源（1）压电式换能器工作原理：在压电晶体切片的两对面上加上高频交变的电压，晶体切片将产生伸长与缩短的现象。压电材料的固有振荡频率：f=n•C/2dn—谐波的级数，C为声波在压电材料中的传播速度。（2）磁致伸缩式换能器工作原理(磁致伸缩效应）：铁磁材料在交变的磁场中，在顺着磁场的方向产生伸缩的现象（机械尺寸的交替变化）。（二）超声波接收器利用超声波发生器的逆效应进行工作。（1）压电式超声波接收器工作原理：当超声波作用到压电晶体切片上时，在晶片的两个表面将产生交变的电荷。（2）压磁式超声波接收器工作原理（压磁效应）：当超声波作用到铁磁材料上，引起它内部导磁率发生变化，在铁磁材料的测量绕组上获得感应电势。三、超声波在检测中的应用1、超声探伤原理：利用超声波的发射和折射的物理现象。当超声波在2种介质中传播时，在它们的界面上一部分能量反射回原介质，另一部分能量透射过界面，在另一介质内继续传播。高频超声波波长短，不易产生绕射，遇到分界面有明显的反射。以穿透法探伤为例：根据超声波穿透工件后能量变化状况来判断工件内部质量的方法。2、超声波测液位原理：利用超声波在气体或液体中的回声测距原理。当超声探头向液面发射超声脉冲，经过时间T后，探头接收到从液面发射回来的回音脉冲，h=(v•T)/2v:超声波在该介质中的传播速度。超声波液位传感器类型：气介式，液介式结构：单探头，双探头3、设计超声波探测仪要求：测量发射器和探测物之间的距离。超声波发射器每隔一定时间t发射6个脉冲串，每发完6个脉冲串后对测量电路提供一个短脉冲。超声波接收器每接收到6个脉冲串后也对测量电路提供一个短脉冲。超声波发生器40KHz振荡器RS双稳电路1低频脉冲发生器6分频器1超声波接收器交流放大器触发器6分频器2双稳电路2热电式传感器1、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶测温原理的异同（从电阻－温度特性角度）。2、简述在工业控制现场采用热电偶测温进行冷端温度补偿的必要性？常用冷端补偿有几种方法？如果要求完成对冷端温度自动补偿，补偿电路应如何设计？3、简述热电偶冷端补偿导线的作用。压电式传感器1、什么是压电效应？什么是顺向压电效应？什么是逆向压电效应？石英晶体的横向和纵向压电效应的产生与外力作用的关系是什么？2、设石英晶片的输出电压幅值为200mv，若要产生一个大于500mv的信号，需要几片石英晶片采用什么样的连接方式，其测量电路（针对前置放大电路）应如何设计？3、比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点？4、压电式传感器的前置放大器作用是什么?说明压电元件的等效电路及其电荷式前置放大器的特点?5、采用压电传感器能否测量静态和变化很缓慢的信号？请简述理由。超声波传感器1、超声波在介质中有哪些传播特性？2、超声波探头有哪几种结构形式？3、利用超声波测厚的基本原理是什么？试设计一个超声波测厚仪，给出其测量系统原理框图。