文档介绍：超声波传感器
万艳玲
一、超声波及其物理性质
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线超声波传感器
万艳玲
一、超声波及其物理性质
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波的反射和折射
声波从另一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透过界面,在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。如图2所示:
超声波的衰减
声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系:
其中,
,-声波在x=0处的声压和声强;
,-声波在x处的声压和声强;
a-衰减系数。
应用:工件的厚度,球墨铸铁的球化程度,泥浆的浓度等。
超声波传感器概述
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****惯上称为超声换能器,或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
3、灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。
另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频率较低,,一般为几十KHZ,而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快,而在液体及固体中传播,衰减较小,传播较远。利用超声波的特性,可做成各种超声传感器,配上不同的电路,制成各种超声测量仪器及装置,并在通迅,医疗家电等各方面得到广泛应用。
工作原理
当40KHZ的脉冲电信号加在超声波发射器上,由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动,经锥形辐射器将超声波振动信号以疏密波的形式向外发射出去。(锥形辐射器控制超声波的发射角度)
接收器在收到由发射器传来的超声波后,使内部的谐振片谐振,通过声电转换作用将其转换成电脉冲信号,由于该脉冲的信号幅度小(微伏级)经信号放大器放大,最后驱动执行器使电路工作。
压电式超声波传感器
压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振,此时产生的超声波最强。
压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩,在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷,这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路,最后记录或显示出来。
压电式超声波传感器结构
超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体,金属或非金属物体,固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响,包括烟尘环境和雨天。
位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波,从而传感器将产生开关信号。
2、检测范围和声波发射角
超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长,频率越小,检测距离越大,如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。
3、传感器调节
几乎所有的超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到,但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数,如传感器的响应时间、回波损失性能,以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。
五、超声波传感器的应用
1、超声波传感器测流量
超声波流量传感器的测定方法是多样的,目前应用较广的主要是超声波传播速度变化法。
超声波在流体中传播时,在静止液体和流动流体中的传播速度是不同的,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
如果在流体中设置两个超声波传感器,它们既可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为L,如图所示。如设顺流方向的传播时间为t1,逆流方向的传播时间为t2