超声波传感器(下)详解

第四章 非电量的电测技术 16
2018/11/1
超声波情况相似



当波源和观察者相对静止时，1s内通过观察者的波峰 （或密部）的数目是一定的，观察到的频率等于波源 振动的频率； 当波源和观察者相向运动时，1S内通过观察者的波 峰（或密部）的数目增加，观察到的频率增加； 反之，当波源和观察者互相远离时，观察到的频率变 小。
2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 2
三、超声波接收器原理



在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以 外，还需要能接收超声波的接收器。 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。 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 换能器兼做发生器和接收器两种用途。
二、超声波发生器原理
y

压电晶体： 压电效应、逆压电效应 电致伸缩效应
逆压电效应
_
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。
2018/11/1
第四章 非电量的电测技术
1
压电材料的 固有频率：
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 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。
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 在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反 射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接 触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测 介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物 质，使之充满在接触层中，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。
Lf（ 0 N1－N 2） v＝ 2 N1 N 2 SLf （ 0 N1－N 2） （N1－N 2） 流量q = vS＝ =k 2 N1 N 2 2 N1 N 2
2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 13
超声波流量计现场使用
2018/11Fra Baidu bibliotek1
第四章 非电量的电测技术
14
2、超声波多普勒测量车速
收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的
平均速度及流量。
2018/11/1
第四章 非电量的电测技术
11
L F1：t1 = v + c sin L F2：t 2 = c sin －v
在t1、t2时间内，分别对频率为f0的脉冲进行计 数，记得脉冲数为N1、N2：
N1 = f 0t1
1 f 0 v + c sin f1 = = = t1 N1 L

2018/11/1
第四章 非电量的电测技术
5
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 电效应，使晶片发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， 将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。
2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 6
2018/11/1
N2 = f 0t2
f 0 c sin －v 1 f2 = = = t2 N 2 L
第四章 非电量的电测技术
12
v + c sin c sin －v f = f1－f 2＝ － L L f0 f0 f（ 2v 0 N1－N 2） ＝ = － = L N1 N 2 N1 N 2
2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 7
空气超声探头

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。
5—引脚
8
a） 超声发射器 b）超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 6—阻抗匹配器 7—超声波束
2018/11/1 第四章 非电量的电测技术
第四章 非电量的电测技术 15
2018/11/1
模拟实验
甲
乙 丙

让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通 过（图甲）。这种情况下的“过人频率”是9人／秒；如果观察者逆 着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图 乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。
同学们是否注意：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，好像汽车驶来的时候 唱着音符“1”，离开的时候就唱音符“ 7”了。
－ 1－ － 7－

1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就 注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察 者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变 化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效应。
压 电 晶 体
第四章 非电量的电测技术
超声波
测 量 电 路
3
2018/11/1
Δ超声波探头

为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收 超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习 惯上称为超声波换能器，或超声波探头。 1、超声波测距原理： 超声波发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。
1、超声波流量计
F1发射的超声波先到达 T1
L F1：t1 = v + c sin
2018/11/1
L F2：t 2 = c sin －v
＝90－
10
第四章 非电量的电测技术
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
一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头 （F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺 流传播的，而F2，T2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，测量两接

2018/11/1
第四章 非电量的电测技术
4
2、超声波探头材料

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。 工作原理：利用压电材料的压电效应。 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，可做为发射探头。 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。
四、超声波传感器的应用

当超声发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。 透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型 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。

反射 透射
2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 9