超声波传感器- 副本.ppt

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1、超声波传感器超声波传感器 -副本副本n次声波：振动频率低于次声波：振动频率低于16Hz16Hz的机械波的机械波n声波：振动频率在声波：振动频率在16Hz20KHz16Hz20KHz之间的机械波之间的机械波n超声波：高于超声波：高于20KHz20KHz的机械波的机械波一、超声波的性质一、超声波的性质n超声波的种类：纵波、横波、表面波超声波的种类：纵波、横波、表面波 振动方向和波振动方向和波的传播方向一致，的传播方向一致，能在固体、液体能在固体、液体和气体中传播和气体中传播 振动方向和振动方向和波的传播方向垂波的传播方向垂直，直，只能在固体只能在固体中传播中传播 质点的振动介于横波与纵波之间，沿着

2、表面传播质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波，表面波随深度增加衰减很快，表面波振动轨迹的波，表面波随深度增加衰减很快，表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播是椭圆型，在固体表面传播超声波的反射和折射超声波的反射和折射当波速一致时当波速一致时入射波入射波 界面界面介质介质1介质介质2反射波反射波折射波折射波（2）折射定律）折射定律c1入射声波速；入射声波速；c2折射声波速折射声波速（1）反射定律）反射定律超声波指向性超声波指向性n超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，在声束横截面的中心轴线上，超声向外扩散，在声束横截面的中心轴线上，超

3、声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1超声源超声源 2轴线轴线 3指向角指向角 4等强度线等强度线 设超声源的直径设超声源的直径D=20mm，射入钢板的，射入钢板的超声波（纵波）频率为超声波（纵波）频率为5MHz，则根据上式，则根据上式可得可得=4，可见该超声波的指向性是十分，可见该超声波的指向性是十分尖锐的尖锐的n超声波与声波比，振动频率高，波长短，超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力很高的穿透

4、能力 超声波传感器原理超声波传感器原理定义：定义：能够完成产生超声波和接收超声波功能的能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器获装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器获超声波探头超声波探头超声波探头按其工作原理可分为：压电式和磁致超声波探头按其工作原理可分为：压电式和磁致伸缩式，其中以压电式最为常用伸缩式，其中以压电式最为常用压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应：逆压电效陶瓷，它是利用压电材料的压电效应：逆压电效应和正压电效应应和正压电效应电能电能机械能机械能正压电效应正压电效

5、应逆压电效应逆压电效应超声波的发生超声波的发生 超声波发生器将电磁能转换成机械能。其结构分为超声波发生器将电磁能转换成机械能。其结构分为两部分，一是产生高频电流或电压的电源，二是换能两部分，一是产生高频电流或电压的电源，二是换能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波 压电式超声波发生器就压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。在压电材料切现象制成的。在压电材料切片上施加交变电压，使它产片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超生电致伸缩振动，而产生超声波，声波，常用的压电材料为常用的压电材料为石石英晶体

6、、压电陶瓷锆钛酸铅英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。等。压电材料的固有频率与晶体厚度压电材料的固有频率与晶体厚度d有关，即有关，即式中式中n=1，2，3，是谐波的级数是谐波的级数 c波在压电材料里的传播速度（纵波波在压电材料里的传播速度（纵波）E杨氏模量杨氏模量 压电材料的密度压电材料的密度n当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生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，这时产生的超声波最强n压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹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的高频超声波超声波接收器超声波接收器n超声波接收器是利用超声波发生器的

7、逆效应超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应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个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压电式超声波传感器结构吸吸收收块块的的作作用用：降降低低晶晶片片的的机机械械品品质质，吸收声能量吸收声能量石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示，其其中中纵纵向向轴轴ZZ称称为为光光轴轴；

8、经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的XX轴轴称称为为电电轴轴；与与XX轴轴和和ZZ轴轴同同时时垂垂直直的的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX 通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电方向的力作用下产生电荷的压电效应称为荷的压电效应称为“纵纵向压电效应向压电效应”，而把沿，而把沿机械轴机械轴YY方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴ZZ方向受方向受力则不产生压电效应力则不产生压

9、电效应石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影，如如图图(a)。为为讨讨论论方方便便，将将这这些些硅硅、氧氧离离子子等等效效为为图图(b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+当当作作用用力力FX=0时时，正正、负负离离子子（即即Si4+和和2O2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三

10、三个个互互成成120 夹夹角角的的偶偶极极矩矩P1、P2、P3，如如图图（a）所所示示。此此时时正正负负电电荷中心重合，电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 Y+-X(a)FX=0P1P2P3 当当晶晶体体受受到到沿沿X方方向向的的压压力力（FX0在在Y、Z方向上的分量为方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由由上上式式看看出出，在在X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷，在荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷轴方向则不出现电荷FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+当

11、晶体受到沿当晶体受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用时，其变化）作用时，其变化情况如图（情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为）。此时电极矩的三个分量为 在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电方向则不出现电荷，因此当晶体受到沿荷，因此当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向的力FX作用时，它作用时，它在在X方向产生正压电效应，而方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效方向则不产生压电效应应 晶体在晶体在Y轴方向力轴方向力FY作用下的情况与作用下的情况与FX相似。当相似。当FY0时，晶体的形变与图（时，晶体的形变与图（b）相似；当）相似；当FY0时，时

12、，则与图（则与图（c）相似。由此可见，晶体在）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）（即机械轴）方向的力方向的力FY作用下，使它在作用下，使它在X方向产生正压电效应，方向产生正压电效应，在在Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。晶晶体体在在Z轴轴方方向向力力FZ的的作作用用下下，因因为为晶晶体体沿沿X方方向向和和沿沿Y方方向向所所产产生生的的正正应应变变完完全全相相同同，所所以以，正正、负负电电荷荷中中心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这这就就表表明明，沿沿Z(即即光光轴轴)方方向向的的力力FZ作作用用下下，晶晶体体不不产产生生压压电效应。电效应。压电陶

13、瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质质，具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强度为零。强度为零。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 如如果果施施加加

14、一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F，压压电电陶陶瓷瓷将将产产生生压压缩缩形形变变（图图中中虚虚线线），片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释释放放，而而出出现现放放电电荷荷现现象象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状(这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程)，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因因此此电电极极上上又又吸吸附附一一部部分分自自由由电电荷荷而而出出现现充充

15、电电现现象象。这这种种由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应的的现现象象，就就是正压电效应是正压电效应。极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况代表形变后的情况）F同同样样，若若施施加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大，压压电电陶陶瓷瓷内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图图中中虚虚线线）。同

16、同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于电电效效应应而转变为机械效应的现象，就是逆压电效应。而转变为机械效应的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）虚线代表形变后的情况）极极化化方向方向电电场场方方向向超声波传感器的应用超声波传感器的应用n超声波探伤超声波探伤 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方射，碰到杂质或分

17、界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大，这些特性使得超声波成为无衰减小，穿透本领大，这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。损探伤方面的重要工具。超声波探伤：穿透法探伤和反射法探伤超声波探伤：穿透法探伤和反射法探伤 (a)(a)穿穿透透法法探探伤伤 穿穿透透法法探探伤伤是是根根据据超超声声波波穿穿透透工工件件后后的的能能量量变变化化状状况况，来来判判别别工工件件内内部部质质量量的的方方法法。穿穿透透法法用用两两个个探探头头，置置于于工工件件相相对对面面，一个发射超声波，一个接收超声波一个发射超

18、声波，一个接收超声波 缺点：探测灵敏度缺点：探测灵敏度较低，不能发现小较低，不能发现小缺陷；根据能量的缺陷；根据能量的变化可判断有无缺变化可判断有无缺陷，但不能定位；陷，但不能定位；对两探头的相对位对两探头的相对位置要求较高置要求较高 (b)反射法探伤反射法探伤 是以超声波在工件中反射情是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。超声波以一定的速况的不同，来探测缺陷的方法。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷F时反时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也，也反射回来。由缺陷及底面反射回

19、来的超声波被探头反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波接收时，又变为电脉冲。发射波f、缺陷波、缺陷波F及底波及底波月经放大后，在显示器荧光屏上显示出来月经放大后，在显示器荧光屏上显示出来 n超声波测液位超声波测液位 超声波测液位是利用回声原理进行工作的。当超声波测液位是利用回声原理进行工作的。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间t后，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因后，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因此探头到液面的距离此探头到液面的距离L可由下式求出：可由下式求出：在被测管道上下游的一定距离上，

20、分别安装两对超声波发在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（射和接收探头（F1F1，T1T1）、（）、（F2F2，T2T2）。其中（）。其中（F1F1，T1T1）的超）的超声波是顺流传播的，而（声波是顺流传播的，而（F2F2，T2T2）的超声波是逆流传播的。根）的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差头上超声波传播的时间差 t t、相位差、相位差 或频率差或频率差 f f等方法，可等方法，可测量出流体的平均速度及流量。测量出流体的平均速度及流量。超声波流量传

21、感器工作原理超声波流量传感器工作原理n超声波流量计超声波流量计图10-5超声波测流量原理图设设顺顺流流方方向向的的传传播播时时间间为为t1，逆逆流流方方向向的的传传播播时时间间为为t2，流流体静止时的超声波传播速度为体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为，流体流动速度为v，则，则 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，因此超声波传播时间差为因此超声波传播时间差为 由于由于cv,从上式便可得到流体的流速，从上式便可得到流体的流速，即即超声波传感器安装位置超声波传感器安装位置C 超声在流体中的速度；超声在流体中的速度；V 流体的平均流速。流体的平均流速。传感器传感器1 1传感器传感器2 2vDL 选用封闭型的发射超声波传感器和接收超声波传感器安装在汽车尾部的侧角处，接入电路即可装配成一个汽车倒车尾部防撞探测器n超声波超声波倒车雷达倒车雷达