超声波传感器详解优秀PPT.ppt

二、超声波发生器原理二、超声波发生器原理n压电晶体：压电晶体：n压电效应、压电效应、逆压电效应逆压电效应_y逆压电效应逆压电效应电致伸缩效应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。振动，而产生超声波，如图所示。11/6/20221第四章 非电量的电测技术压电材料的压电材料的固有频率：固有频率：n当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这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。时产生的超声波最强。共振共振n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。声波。11/6/20222第四章 非电量的电测技术三、超声波接收器原理三、超声波接收器原理n在超声波技术中，除了须要能产生超声波的发生器以在超声波技术中，除了须要能产生超声波的发生器以外，还须要能接收超声波的接收器。外，还须要能接收超声波的接收器。n一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。进行工作的。n压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的。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。换能器兼做发生器和接收器两种用途。压压电电晶晶体体测测量量电电路路超声波超声波11/6/20223第四章 非电量的电测技术n为了以超声波作为检测手段，必需产生超声波和接收为了以超声波作为检测手段，必需产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习超声波。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。惯上称为超声波换能器，或超声波探头。n1、超声波测距原理：、超声波测距原理：n超声波放射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介超声波放射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。面经过反射后，再反回到接收探头。超声波探头超声波探头11/6/20224第四章 非电量的电测技术2、超声波探头材料、超声波探头材料n常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。电式超声波探头。n工作原理：利用压电材料的压电效应。工作原理：利用压电材料的压电效应。n逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生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，可做为放射探头。超声波，可做为放射探头。n利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可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。作为接收探头。11/6/20225第四章 非电量的电测技术超声波探头中的压电陶瓷芯片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，使晶片放射出持续时间很短的超声振动波。当电效应，使晶片放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，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。将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。11/6/20226第四章 非电量的电测技术耦合剂耦合剂 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猛烈的杂乱反射在一层空气薄层，空气将引起三个界面间猛烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必需将接触面波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必需将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺当地入射到被测介质中。之间的空气排挤掉，使超声波能顺当地入射到被测介质中。在工业中，常常运用一种称为耦合剂的液体物质，使之充在工业中，常常运用一种称为耦合剂的液体物质，使之充溢在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有溢在接触层中，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。自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。11/6/20227第四章 非电量的电测技术空气超声探头空气超声探头 n以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。a a）超声放射器超声放射器 b b）超声接收器）超声接收器 1 1外壳外壳 2 2金属丝网罩金属丝网罩 3 3锥形共振盘锥形共振盘 4 4压电晶片压电晶片 5 5引脚引脚 66阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超声波束超声波束 11/6/20228第四章 非电量的电测技术四、超声波传感器的应用四、超声波传感器的应用 n当超声放射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种当超声放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。类型称为透射型。n透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。n超声放射器与接收器置于同侧的属于反射型超声放射器与接收器置于同侧的属于反射型n反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属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。探伤以及测厚等。反射反射透射透射11/6/20229第四章 非电量的电测技术1 1、超声波流量计、超声波流量计 F1F1放射的超声波先到达放射的超声波先到达 T1 T111/6/202210第四章 非电量的电测技术测量流量原理测量流量原理 时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的确定距离上，分别安装两对超声波放射和接收探头确定距离上，分别安装两对超声波放射和接收探头（F1F1，T1T1）、（）、（F2F2，T2T2），其中），其中F1F1，T1T1的超声波是的超声波是顺流传播的，而顺流传播的，而F2F2，T2T2的超声波是逆流传播的。由的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差接收探头上超声波传播的时间差t t，可得到流体，可得到流体的平均速度及流量。的平均速度及流量。11/6/202211第四章 非电量的电测技术在在t1、t2时间内，分别对频率为时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计的脉冲进行计数，记得脉冲数为数，记得脉冲数为N1、N2：11/6/202212第四章 非电量的电测技术11/6/202213第四章 非电量的电测技术超声波流量计现场运用超声波流量计现场运用11/6/202214第四章 非电量的电测技术 同学们是否留意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶同学们是否留意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，似乎汽车驶来的时候而过时，喇叭的音调会由高变低，似乎汽车驶来的时候唱着音符唱着音符“1”，离开的时候就唱音符，离开的时候就唱音符“7”了。了。n1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁闲逛时就年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁闲逛时就留意到了类似的现象，他经过细致的探讨，发觉波源和视察留意到了类似的现象，他经过细致的探讨，发觉波源和视察者相互靠近或者相互远离时，视察到的波的频率都会发生变者相互靠近或者相互远离时，视察到的波的频率都会发生变更，并且做出了说明，人们把这种现象叫做多普勒效应。更，并且做出了说明，人们把这种现象叫做多普勒效应。1 17 72、超声波多普勒测量车速、超声波多普勒测量车速11/6/202215第四章 非电量的电测技术模拟试验模拟试验n让一队人沿街行走，视察者站在街旁不动，每秒有让一队人沿街行走，视察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通个人从他身边通过（图甲）。这种状况下的过（图甲）。这种状况下的“过人频率过人频率”是是9人秒；假如视察者逆人秒；假如视察者逆着队伍行走，每秒和视察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图乙）着队伍行走，每秒和视察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图乙）；反之，假如视察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。；反之，假如视察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。甲甲乙乙丙丙11/6/202216第四章 非电量的电测技术超声波状况相像超声波状况相像n当波源和视察者相对静止时，当波源和视察者相对静止时，1s内通过视察者的波峰内通过视察者的波峰（或密部）的数目是确定的，视察到的频率等于波源（或密部）的数目是确定的，视察到的频率等于波源振动的频率；振动的频率；n当波源和视察者相向运动时，当波源和视察者相向运动时，1S内通过视察者的波峰内通过视察者的波峰（或密部）的数目增加，视察到的频率增加；（或密部）的数目增加，视察到的频率增加；n反之，当波源和视察者相互远离时，视察到的频率变反之，当波源和视察者相互远离时，视察到的频率变小。小。11/6/202217第四章 非电量的电测技术 交通警向行进中的车辆放射频率已知的超声波，交通警向行进中的车辆放射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，依据反射波频率变更的多同时测量反射波的频率，依据反射波频率变更的多少就能知道车辆的速度。少就能知道车辆的速度。11/6/202218第四章 非电量的电测技术3 3、超声波测量液位和物位原理、超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传在液罐上方安装空气传导型超声放射器和接收器，导型超声放射器和接收器，依据超声波的来回时间，就依据超声波的来回时间，就可测得液体的液面。可测得液体的液面。11/6/202219第四章 非电量的电测技术nc c：超声波在被测介质中的传播速度。：超声波在被测介质中的传播速度。n由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量时间时间t t的方法来精确测量距离的方法来精确测量距离L L。n声速声速c c在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体中，由于温度和压力不同，其值也不相同。由于液体中其中，由于温度和压力不同，其值也不相同。由于液体中其它成分的存在及温度的不匀整都会使它成分的存在及温度的不匀整都会使c c发生变更，引起测发生变更，引起测量误差，故在精密测量时，要考虑实行补偿措施。量误差，故在精密测量时，要考虑实行补偿措施。11/6/202220第四章 非电量的电测技术超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形喇叭形 超声发生器超声发生器11/6/202221第四章 非电量的电测技术4、n穿透法探伤：依据超声波穿透工件后的能量变更状况穿透法探伤：依据超声波穿透工件后的能量变更状况来推断工件内部质量的方法。来推断工件内部质量的方法。n工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；n工件内有缺陷时，部分能量被反射，接收能量小，仪工件内有缺陷时，部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。内部缺陷检测出来。表指示值小。内部缺陷检测出来。n反射法探伤：声波在工件中反射状况的不同，来探测反射法探伤：声波在工件中反射状况的不同，来探测缺陷的方法。缺陷的方法。11/6/202222第四章 非电量的电测技术