超声波传感器(下)详解

2019/10/5
第四章 非电量的电测技术
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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。
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
5—引脚
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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。
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交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波， 同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多 少就能知道车辆的速度。
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3、超声波测量液位和物位原理
在液罐上方安装空气传 导型超声发射器和接收器， 根据超声波的往返时间，就 可测得液体的液面。
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。
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F1：t1
=
v
+
L
c sin
F2：t2
=
L
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 = f0t1 N2 = f0t2
f1
=
1 t1
=
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。
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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。
超声波
压
测
电
量
晶
电
体
路
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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。
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c：超声波在被测介质中的传播速度。
由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量 时间t的方法来精确测量距离L。
声速c在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体 中，由于温度和压力不同，其值也不相同。由于液体中其 它成分的存在及温度的不均匀都会使c发生变化，引起测 量误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。
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1、超声波流量计 F1发射的超声波先到达 T1
F1：t1
=
v
+
L
c sin
F2：t2
=
L
c sin－v
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＝90－
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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
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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。
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透射
反射
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超声波测量液位和物位
喇叭形 超声发生器
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4、 穿透法探伤：根据超声波穿透工件后的能量变化状 况来判断工件内部质量的方法。
1. 工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；
2. 工件内有缺陷时，部分能量被反射，接收能量小， 仪表指示值小。内部缺陷检测出来。
反射法探伤：声波在工件中反射情况的不同，来探 测缺陷的方法。
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f0 N1
=
v + c sin
L
f2
=
1 t2
=
f0 N2
=
c sin－v
L
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f
=
f1－f
＝
2
v
+
c sin L

－
c
s in －v
L
＝ 2v =
f0 －
f0
=
f（0 N1－N
）
2
L
N1 N2
N1 N 2
v＝
Lf（0 N1－N
）
2
2 N1 N 2
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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。
－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。
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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）。
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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。
流量q
=
vS＝
SLf（0 N1－N
） 2=
k（N1－N
）
2
2 N1 N 2
2 N1 N 2
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超声波流量计现场使用
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2、超声波多普勒测量车速
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。
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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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二、超声波发生器原理
压电晶体： 压电效应、逆压电效应
电致伸缩效应
y _
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。
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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