第9章超声波传感器及应用

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3.超声波流量传感器
测定原理目前应用较广的主要是超声波 传输时间差法。
超声波在流体中传输时，在静止流体和 流动流体中的传输速度是不同的，利用 这一特点可以求出流体的速度，再根据 管道流体的截面积，便可知道流体的流 量。
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实际应用
超声波传感器安装在管道的外部，从管 道的外面透过管壁发射和接收，超声波 不会给管内流动的流体带来影响
发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振 盘，以提高发射效率和方向性。接收器 在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器， 以滤除噪声，提高接收效率。空气传导 的超声发射器和接收器的有效工作范围 可达几米至几十米。
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空气传导型超声发生、接收器结构示意图
1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶体片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
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指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ
之间的关系为
sinθ= 1.22λ/D
设超声源的直径D=20mm，射入钢板的
超声波（纵波）频率为5MHz，则根据
上式可得θ=4°，可见该超声波的指向
性是十分尖锐的。
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3.超声波的反射和折射
超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射，
1)
声阻抗 Z（
103MPa·s -1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
7.8
46
5.9
3.23
铝
2.7
17
6.32
3.08
铜
8.9
42
4.7
2.05
有机玻璃 1.18
3.2
2.73
1.43
甘油
1.26
2.4
1.92
—
水（20℃） 1.0
1.48
1.48
—
油
0.9
1.28
1.4
（2）横波—质点振动方向垂直于传播方向的 波。
（3）表面波—质点的振动介于横波与纵波之 间，沿着表面传播的波。
横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体 和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。 为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。
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纵 波
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横波
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超声波在医学检查中的应用
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胎儿的 B超影像
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超声波清洗原理及清洗器
波浪
气泡
清洗物
超声换能器
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—
空气
0.0013
0.0004
0.34
—
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（2）波长
超声波的波长λ与频率f 乘积恒等于声速 c，即
λ f =c
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（3）指向性
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，超声波最强，且随着扩散角度 的增大而减小。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
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各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
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接触式双晶斜探头
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4.聚焦探头
分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为 聚焦探头，是一种很有发展前途的新型 探头。
聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超 声波，也可以采用两种不同声速的塑料 来制作声透镜，还可利用类似光学反射 镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 如果将双晶直探头的延迟块按上述方法 加工，也可具有聚焦功能。
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各种超声波探头
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保护膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
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接插件
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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
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表面波
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2.声速、波长与指向性
（1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于
介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
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常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温 度为0℃）
材料 钢
密度 ρ(103kg·m-
sin / sin = c1 / c2
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4.超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩 散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。
散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质 中的悬浮粒子使声波散射。
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5.箔式探头
利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高 分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔 式探头，可以获得0.2mm直径的超细声 束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很 高清晰度的图像。
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6.空气传导型探头
超声探头的发射换能器和接收换能器一 般是分开设置的，两者结构也略有不同，
吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞 后造成的，介质吸收声能并转换为热能。
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9.2超声波探头及耦合技术
9.2.1 超声波探头
工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁 式
其结构不同，超声波探头又分为直探头、 斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探 头、冲水探头、水浸探头、空气传导探 头以及其他专用探头等，
第9章 超声波传感器及应用
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主要章节
9.1超声波及其物理性质 9.2超声波探头及耦合技术 9.3超声波传感器的应用
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9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
声波频率的界限划分
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声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻 璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度 应尽量薄一些，以减小耦合损耗。
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耦合剂
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9.3超声波传感器的应用
1．超声波测厚
超声波测厚常用脉冲回波法。
超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产 生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电 流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声 波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回 来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的 声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发
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几种超声物位传感器的结构示意图
h
s
h
2a
(a) 2a
h
h
s
(b)
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结论
只要测得超声波脉冲从发射到接收的间 隔时间，便可以求得待测的物位，超声 物位传感器具有精度高和使用寿命长的 特点
若液体中有气泡或液面发生波动，便会 有较大的误差。
在一般使用条件下，它的测量误差为 ±0.1%，检测物位的范围为102～ 104m。
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2.双晶直探头
由两个单晶探头组合而成，装配在同一 壳体内。其中一片晶片发射超声波，另 一片晶片接收超声波。两晶片之间用一 片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以 隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。
双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精 度比单晶直探头高，且超声波信号的反 射和接收的控制电路较单晶直探头简单。
射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出
工件厚度为
δ=υt/2
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脉冲回波法测厚工作原理
从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求
出时间间隔t。
也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间
间隔t，从而做成厚度数字显示仪表。
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2.超声波物位传感器
超声波物位传感器是利用超声波在两种 介质的分界面上的反射特性而制成的。 如果从发射超声波脉冲开始，到接收换 能器接收到反射波为止的这个时间间隔 为已知，就可以求出分界面的位置，利 用这种方法可以对物位进行测量。
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空气超声探头
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空气超声探头外形
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空气超声探头外形
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9.2.2 超声波探头耦合剂
一般不能直接将其放在被测介质（特别 是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。
空气的密度很小，将引起3个界面间强烈 的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也 将对超声波造成很大的衰减。
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各种双晶直探头
焦距范围：5~40mm, 频率范围： 2.5~5MHz，钢中折射角：45 ~70
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3.斜探头
接插件 底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、 45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材 料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一 定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多 次反射，而传播到较远处去。
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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声波的波型
（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一 致的波。
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超声波探头结构示意
1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜楔块 10—试件 11—耦合剂
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超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。
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wk.baidu.com
4.汽车倒车探测器 （倒车雷达）
选用封闭型的发射超声波传感器MA40EIS 和接收超声波传感器MA40EIR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。
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便携式超声 波探鱼器
超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两 种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这 一现象类似于光波。
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。
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1.单晶直探头
用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。
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超声波测量原理图
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超声波传感器安装位置图
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特点
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动 的特点，可测流体种类很多，不论是非 导电的流体。还是高黏度的流体、浆状 流体，只要能传输超声波的流体都可以 进行测量。
超声波流量计可用来对自来水、工业用 水、农业用水等进行测量。还可用于下 水道、农业灌溉、河流等流速的测量。
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波的反射和折射
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（1）反射定律
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、波速
相等时，入射角 等于反射角'。
（2）折射定律
入射角 的正弦与折射角 的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即