西南交大自动检测技术课件-第八章-----超声波传感器ppt.ppt

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1、 第八章第八章 超声波传感器超声波传感器一、一、定义定义超声波传感器：超声波传感器：根据超声波的特性根据超声波的特性实现声电转换，实现声电转换，完成非电量检测的完成非电量检测的装置。装置。声波是机械波。声波是机械波。超声波是机械波的一种，超声波的频率高于超声波是机械波的一种，超声波的频率高于20kHz。超声波特性超声波特性： 波长短，绕射现象小；波长短，绕射现象小； 方向性好，能定向传播；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。超声波在工业和医学领域有着广泛的应用。 二、二、超声波的传播特性超声波的传播特性振荡源在介

2、质中可产生三种形式的振荡波；振荡源在介质中可产生三种形式的振荡波；横波横波质点振动方向垂直于传播方向的波；质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波纵波质点振动方向与传播方向一致的波；质点振动方向与传播方向一致的波；表面波表面波质点振动介于纵波与横波之间，沿表面传质点振动介于纵波与横波之间，沿表面传播的波。播的波。说明：说明： 横波只能在固体中传播；横波只能在固体中传播； 纵波能在固态、液体和气体中传播；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。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为了测量各种状态下的物理量多采用纵波纵波。 （一）超声波的（一）超声波的

3、传播速度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。弹性特性有关。1、在气体和液体中，其传播速度、在气体和液体中，其传播速度c为为aqBc11式中式中介质的密度；介质的密度； Ba绝对压缩系数。绝对压缩系数。2、在固体中，其传播速度为：、在固体中，其传播速度为：21)(pEcq式中式中 E杨氏模量；杨氏模量；（二）超声波的（二）超声波的物理性质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，称为分能量反射回原介质，称为反射波反射波；反射定律反射定律：

4、 入射角与反射角的正弦之比等于入射波与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。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，称之为播，称之为折射波，折射波， AxeII20式中式中 I0距离声源距离声源x=0处的声强；处的声强； x超声波与声源间的距离；超声波与声源间的距离； A衰减系数，衰减系数，（三）（三）超声波的衰减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超声波在一种介质中传播时，其声强按指数函数规律衰减。衰减。距离声源距离声源x处的声强处的声强I的的衰减规律衰减规律如下如下折射定律折射

5、定律 ：入射角的正弦与折射角的正入射角的正弦与折射角的正弦之比等于介质弦之比等于介质1中入射波中入射波的波速与介质的波速与介质2中折射波的中折射波的波速之比波速之比 。（四）超声波的（四）超声波的波型转换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。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。若介质为液体或气体，则仅有纵波。二、二、超声波传感器超声波传感器超声波传感器实现超声波传感器实现声

6、电转换声电转换的装置，又称为超声波换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。能器或超声波探头。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。波，并将其转换成电信号的装置。超声波探头可分为：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、双探头和液浸探头。直探头、斜探头结构主要为：直探头、斜探头结构主要为：压电晶片压电晶片、内部接线片、导线细杆、金属外壳、接线、内部接线片、导线细杆、金属外壳、接线柱等。柱等。双探头双探头（组合式探头）：在一个探头内安装（组合式探头）：在一个探头

7、内安装2块压电片，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。一段时间再射入工件。超声波探头按其工作原理可分为：超声波探头按其工作原理可分为：压电式压电式（电致伸缩式）、（电致伸缩式）、磁致伸缩式磁致伸缩式等。等。实际使用中采用压电式探头最为常见。实际使用中采用压电式探头最为常见。（一）（一）超声波发生器超声波发生器1 1、超声波的发生超声波的发生超声波发生器组成：超声波发生器组成： 换能器换能器 产生高频电流或电压的电源产生高频电流或电压的电源（1 1）压电式换能器压电式换能器工作原理：工作原理：在压电晶体切片

8、的两对面上加上高频交变的电压，晶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。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：压电材料的固有振荡频率： f=nf=nC/2d C/2d n n 谐波的级数，谐波的级数，C C为声波在压电材料中的传播速度。为声波在压电材料中的传播速度。（2 2）磁致伸缩磁致伸缩式换能器式换能器工作原理工作原理(磁致伸缩效应磁致伸缩效应）：）：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）。缩的现象（机械尺寸的交替变化）。（二）（二）超声波接收器超声波接收

9、器利用超声波发生器的逆效应进行工作。利用超声波发生器的逆效应进行工作。（1 1）压电式超声波接收器压电式超声波接收器工作原理：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。面将产生交变的电荷。（2 2）压磁式压磁式超声波接收器超声波接收器工作原理（工作原理（压磁效应压磁效应）：）：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。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三、超声波在检测中的应用1、超声探伤、超声

10、探伤原理：原理：利用利用超声波的发射和折射的物理现象超声波的发射和折射的物理现象。当超声波在当超声波在2种介质中传播时，在它们的界面上一部种介质中传播时，在它们的界面上一部分能量反射回原介质，另一部分能量分能量反射回原介质，另一部分能量透射透射过界面，在过界面，在另一介质内继续传播。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。显的反射。以以穿透法探伤穿透法探伤为例：为例：根据超声波穿透工件后根据超声波穿透工件后能量变化状况能量变化状况来判断工件内部来判断工件内部质量的方法。质量的方法。2、超声波测液位、超声波测液位原

11、理：原理：利用超声波在气体或液体中的利用超声波在气体或液体中的回声测距回声测距原理。原理。当超声探头向液面发射超声脉冲，经过时间当超声探头向液面发射超声脉冲，经过时间T后，探头后，探头接收到从液面发射回来的回音脉冲，接收到从液面发射回来的回音脉冲， h=(vT)/2v: 超声波在该介质中的传播速度。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，液介式超声波液位传感器类型：气介式，液介式结构：单探头，双探头结构：单探头，双探头3、设计超声波探测仪、设计超声波探测仪要求：要求：测量测量发射器和探测物之间的发射器和探测物之间的距离距离。超声波发射器每隔一定时间超声波发射器每隔一定时间t发

12、射发射6个脉冲串个脉冲串，每发完，每发完6个脉冲串后对测量电路提供一个短脉冲。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超声波接收器每接收到6个脉冲串后也对测量电路提供个脉冲串后也对测量电路提供一个短脉冲。一个短脉冲。超声波超声波发生器发生器40KHz振振荡器荡器RS双稳双稳电路电路1低频脉冲发低频脉冲发生器生器6分频分频器器1超声波超声波接收器接收器交流放大交流放大器器触发器触发器6分频器分频器2双稳电双稳电路路2 热电式传感器热电式传感器1 1、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶测温原理的异同（从电阻、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）。温度特性角

13、度）。2 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、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？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？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 3、简述热电偶冷端补偿导线的作用。、简述热电偶冷端补偿导线的作用。 压电式传感器压电式传感器1 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、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应？石英晶体的横向和纵向压电效应的产生与外力作用的

14、关系是什么？什么？2 2、设石英晶片的输出电压幅值为、设石英晶片的输出电压幅值为200200mvmv，若要产生一个大于若要产生一个大于500500mvmv的信号，需要几片石英晶片采用什么样的连接方式，其测的信号，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？量电路（针对前置放大电路）应如何设计？3 3、比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点？、比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点？4 4、压电式传感器的前置放大器作用是什么、压电式传感器的前置放大器作用是什么? ? 说明压电元件的等说明压电元件的等效电路及其电荷式前置放大器的特点效电路及其电荷式前置放大器的特点? ? 5 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、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。理由。 超声波传感器超声波传感器1 1、超声波在介质中有哪些传播特性？、超声波在介质中有哪些传播特性？2 2、超声波探头有哪几种结构形式？、超声波探头有哪几种结构形式？3 3、利用超声波测厚的基本原理是什么？、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。试设计一个超声波测厚仪，给出其测量系统原理框图。