传感器技术及应用 第五章 超声波传感器

1. 时差法测流量
采用测量两接头超声波传播时间和相位上的变化等方法，可 求得流体的流速和流量。图5-8所示为超声波测流体流量原理 图。
当A为发射探头、B为接收探头时，超声波传播速度为c+vcos， 于是顺流传播时间t1为
p p0ex
(5-3)
I I0e2x
(5-4)
式中 p0、I0——距声源x=0处的声压和声强；
e——自然对数的底；
——衰减系数，单位为Np/cm(奈培/厘米)。
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5.2 超声波探头
超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传 感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相 应的电信号。
第5章 超声波传感器
5.1 超声检测的物理基础 5.2 超声波探头 5.3 超声波检测技术的应用
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5.1 超声检测的物理基础
振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在20～ 2104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于20 Hz的机械波，称为次声波；高于2104 Hz的机械波，称为超 声波，如图5-1所示。
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5.1 超声检测的物理基础
sin c1
sin c2
(5-1)
5.1.2 超声波的波型及其转换
当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时， 声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波 称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体 中传播。
超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁 式等数种，其中以压电式为最常用。图5-4所示为压电式探头 结构图，其核心部分为压电晶片，利用压电效应实现声、电 转换。
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5.3 超声波检测技术的应用
5.3.1 超声波测厚度
超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法、脉冲回波法等。 图5-5所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理。
超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路，
使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来，该脉冲信
号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板上。
标记发生器输出时间标记脉冲信号，同时加到该垂直偏转板
上。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上可 直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔t。被测物体的厚 度h为
5.1.1 波的反射和折射
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质 中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型 转换等现象。
由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反 射角的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相 同时，波速相等，入射角即等于反射角'，如图5-2所示。当 波在界面外产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比， 等波于速入c2之射比波，在即第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的
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5.3 超声波检测技术的应用
5.3.3 超声波测流量
利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量结果 不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和流动流体 中的传播速度是不同的，从而可以测量流量的工作原理如图 5-8所示。图中v为流体的平均流速，为超声波传播方向与流 体流动方向的夹角，A、B为两个超声波探头，L为其间隔距 离。
c S 1 、c S 2 ——反射介质与折射介质内的横波速度。 如果介质为液体或气体，则仅有纵波。
5.1.3 声波的衰减
声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减， 其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。
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5.1 超声检测的物理基础
在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律 如下
h=ct/2 式中 c——超声波的传播速度。
(5-5)
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5.3 超声波检测技术的应用
我国20世纪60年代初期自行设计了CCH-J-1型表头式超声波 测厚仪，近期又采用集成电路制成数字式超声波测厚仪，其 体wk.baidu.com小到可以握在手中，重量不到1kg，精度可达0.01mm。
5.3.2 超声波测液位
在化工、石油和水电等部门，超声波被广泛用于油位、水位 等的液位测量。图5-6所示为脉冲回波式测量液位的工作原理 图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后 又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质 中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声 方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介式、单探 头气介式、单探头固介式和双探头液介式等数种。
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5.1 超声检测的物理基础
sic nLsic nL 1 1sic nS 1 2sicn L2sicn S2
式中 ——入射角；
(5-2)
1、 2——纵波与横波的反射角； γ、 ——纵波与横波的折射角；
速cL度、；cL1、cL2、——入射介质、反射介质与折射介质内的纵波
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5.3 超声波检测技术的应用
在生产实践中，有时只需要知道液面是否升到或降到某个或 几个固定高度，则可采用图5-7所示的超声波定点式液位计， 实现定点报警或液面控制。图5-7(a)、(b)为连续波阻抗式液 位计的示意图。由于气体和液体的声阻抗差别很大，当探头 发射面分别与气体或液体接触时，发射电路中通过的电流也 就明显不同。因此利用一个处于谐振状态的超声波探头，就 能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体。图5-7(c)、(d) 为连续波透射式液位计示意图。图中相对安装的两个探头， 一个发射，另一个接收。当发射探头发生频率较高的超声波 时，只有在两个探头之间有液体时，接收探头才能接收到透 射波。由此可判断出液面是否达到探头的高度。
质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深 度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传 播。
当声波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有 纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图 5-3所示。在一定条件下，还能产生表面波。各种波型均符合 几何光学中的反射定律，即