1、第10章 超聲波傳感器 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器10.3 超聲波傳感器應用超聲波傳感器應用 第10章 超聲波傳感器 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質 10.1 超聲波及其物理性質超聲波及其物理性質 波動）：振動在彈性介質內的傳播稱為波動。波動）：振動在彈性介質內的傳播稱為波動。 頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波次聲波：低于次聲波：低于16 Hz的機械波；的機械波；聲波：其頻率在聲波：其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機械波；之間，能為人耳所聞的機械波；超聲波

2、：高于超聲波：高于2104 Hz的機械波；的機械波；微波：頻率在微波：頻率在310831011 Hz之間的波；之間的波；第10章 超聲波傳感器 10.1.1 超聲波的波型及其傳播速度超聲波的波型及其傳播速度 縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致。縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）（固、液、氣） 橫波：質點的振動方向垂直于波的傳播方向。橫波：質點的振動方向垂直于波的傳播方向。（固）（固） 表面波：質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面波：質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面傳播，振幅隨深度增加而迅速衰減。（固體表面傳播，振幅隨深度增加而迅速衰減。（固體表面）表面） 當超聲

3、波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中傳播速度不同，在介質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現象。 第10章 超聲波傳感器 超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度 取決于介質的彈性常數及介質的密度，與自身頻率無關。取決于介質的彈性常數及介質的密度，與自身頻率無關。密度彈性率聲速 在固體介質中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為在固體介質中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為E 楊氏模量； 泊松比；G 剪切彈性模量。 在氣體和液體中，由于不存在剪切應力僅有縱波的傳播，在氣體和液體中，由于不存在剪切應力僅有縱波的傳播，其傳播速度其傳播速度c為為 nBc11(1)(1 2 )Ec12(1)EGc

4、0.9Gc介質的密度；Bn絕對壓縮系數。縱波縱波橫波橫波表面波表面波第10章 超聲波傳感器 超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。以水為例，當蒸餾水溫度在074時，聲速隨溫度的升高而增加，在74時達到最大值，大于74后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質、壓強等也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定的關系：通常可認為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速為9001900m/s。第10章 超聲波傳感器 表表10-1 0100范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化 第10章 超聲波傳感器 表

5、表10-1 0100范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化 第10章 超聲波傳感器 10.1.2 超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射當波速一致時入射波入射波 界面界面介質介質1介質介質2反射波反射波折射波折射波（2折射定律折射定律21sinsinccc1入射聲波速, c2折射聲波速（1反射定律反射定律第10章 超聲波傳感器 22211222110)cos(cos4ccccIITtI0, Ir, It分別為入射波、反射波、透射波的聲強；1c1、2c2分別為兩介質的聲阻抗。 聲波的反射系數和透射系數可分別由如下兩式求得: 211220coscosccIIRr當超聲波垂直入射界面

6、，即=0時，那么 22211221122211221114,()1ccccRTcccc若2c21c1，R0，T1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質透射入第二介質；若2c21c1, R1，則聲波幾乎全反射，透射極少。當1c12c2，R1，聲波幾乎全反射。在20水溫時，故超聲波從水介質中傳播至水氣界面時，將發生全反射。 第10章 超聲波傳感器 L 1界面界面介質介質1介質介質2 2L1L2S1S2 L入射縱波；入射縱波； L1 反射縱波；反射縱波； L2 折射縱波折射縱波 S1 反射橫波；反射橫波； S2折射橫波。折射橫波。(3) (3) 波型轉換波型轉換當聲波以某一角度入射到第二介質固體的界

7、面上時,除有縱波的反射、折射以外，還會發生橫波的反射和折射 如果第二介質為液體或氣體，則僅有縱波，而不會產生橫波和表面波。（1縱波全反射：折射波中便只有橫波存在 （2橫波全反射：介質的分界面上只傳播表面波。 第10章 超聲波傳感器 10.1.3 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規律為減。其聲壓和聲強的衰減規律為 200axaxxxPPeII e，式中：Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強； x聲波與聲源間的距離； 衰減系數，單位為Np/cm奈培/厘米）。 聲波衰減原因：擴散衰減：隨聲

8、波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減：超聲波在介質中傳播時，固體介質中顆粒界面或流體介質中懸浮 粒子使聲波產生散射，一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而 形成散射。吸收衰減：由于介質粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成質點間的內摩 擦，從而使一部分聲能轉換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導 致聲能的損耗。 第10章 超聲波傳感器 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 能夠完成產生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探測器。運用： 超聲波傳播時間傳感器、目標探測、流量測量、 液位測量、超聲清洗、超聲醫療等。特點： 精度高，被測物體不受影響，使用壽命長構造： 直探

9、頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭； 而正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。 第10章 超聲波傳感器 圖10-3 壓電式超聲波傳感器結構 金屬殼吸收塊保護膜接線片壓電晶片導電螺桿 它主要由壓電晶片、吸收塊阻尼塊）、保護膜、引線等組成。 壓電晶片多為圓板形， 厚度為。超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導電的極板。 阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質， 吸收聲能量。 如果沒有阻

10、尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時， 晶片將會繼續振蕩， 加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。 壓電式壓電式第10章 超聲波傳感器 磁致伸縮式磁致伸縮式磁致伸縮式超聲波傳感器: 利用鐵磁材料的磁致伸縮效應原理來工作的磁致伸縮式超聲波發生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場即導磁特性發生改變。根據電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。 dd圖9.3.2 磁致伸縮超聲波發生器第10章 超聲波傳感器 超

11、聲波振蕩電路超聲波振蕩電路數字式超聲波振蕩電路 振蕩器產生的高頻電壓通過耦合電容CP供給超聲波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2產生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號， H3H6進行功率放大，再經過耦合電容CP傳給超聲波振子MA40S2S。超聲波振子若長時間加直流電壓，會使傳感器特性明顯變差， 因此，一般用交流電壓通過耦合電容CP 供給傳感器。該電路通過調節R可改變振蕩頻率： )Hz(2 . 210RCf 第10章 超聲波傳感器 采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路 采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實例。電路中用NPN晶體管V放大頻率可調振蕩器OSC的輸出信號，放大的信號經脈沖變壓器T升壓為較

12、高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。 超聲波傳感器MA40S2S產生40 kHz能量的超聲波。 第10章 超聲波傳感器 10.3 超聲波傳感器應用超聲波傳感器應用 10.3.1 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。如果從發射超聲脈沖開始，到接收換能器反射特性而制成的。如果從發射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。的位置，利用這種方法可以

13、對物位進行測量。 根據發射和接收換能器的功能，傳感器又可分為根據發射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器：傳感器發射和接收超聲波使用同一個換能器單換能器：傳感器發射和接收超聲波使用同一個換能器雙換能器：傳感器發射和接收各由一個換能器擔任雙換能器：傳感器發射和接收各由一個換能器擔任第10章 超聲波傳感器 圖10-4 幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖 (a) 超聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播hh2a2ahhss(a)(b)2cth 22ash第10章 超聲波傳感器 第10章 超聲波傳感器 液位測量液位測量儲油罐分選儲油罐分選第10章 超聲波傳感器 超聲波液位計超聲波液位計第

14、10章 超聲波傳感器 MDARS-E型室外保安機器人型室外保安機器人多個超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器多個超聲波傳感器組成線陣或面陣形成多傳感器第10章 超聲波傳感器 為計數或安全目的，進行人員探測為計數或安全目的，進行人員探測第10章 超聲波傳感器 堆置高度控制堆置高度控制厚度測量厚度測量第10章 超聲波傳感器 脈沖回波法檢測厚度工作原理超聲波測厚超聲波測厚第10章 超聲波傳感器 圖是超聲波測厚示意圖。雙晶直探頭左邊的壓電晶片發射超聲脈沖，經探頭內部的延遲塊延時后,該脈沖進入被測試件,在到達試件底面時,被反射回來，并被右邊的壓電晶片所接收。這樣，只要測出從發射超聲波脈沖到接收超聲波脈

15、沖所需的時間(扣除經兩次延遲的時間),再乘上被測體的聲速常數,就是超聲脈沖在被測件中所經歷的來回距離，也就代表了厚度值，即： ct21第10章 超聲波傳感器 高度的分選和移高度的分選和移動動第10章 超聲波傳感器 倒車雷達倒車雷達 第10章 超聲波傳感器 魚群探測器魚群探測器 第10章 超聲波傳感器 10.3.2 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 理論基礎：超聲波在流體中的傳播速度與流體的流動速度有關。 特點：超聲非接觸測量；無壓力損失；適合于大型管道等。 工作原理：傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法等。 超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這

16、一特點可以求出流體的速度，再根據管道流體的截面積， 便可知道流體的流量。第10章 超聲波傳感器 1Ltcv2Ltcv順流逆流22122vcLvttt由于cv, tLcv22c 超聲在流體中的速度超聲在流體中的速度v 流體的平均流速流體的平均流速第10章 超聲波傳感器 此時超聲波的傳輸時間將由下式確定： 12coscos,sinsinDDttcvcv傳感器傳感器1 1傳感器傳感器2 2vD Lc 超聲在流體中的速度超聲在流體中的速度v 流體的平均流速流體的平均流速第10章 超聲波傳感器 在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發射和接收探

17、頭射和接收探頭F1F1，T1T1）、（）、（F2F2，T2T2）。其中）。其中F1F1，T1T1的超的超聲波是順流傳播的，而聲波是順流傳播的，而F2F2，T2T2的超聲波是逆流傳播的。根的超聲波是逆流傳播的。根據這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探據這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差頭上超聲波傳播的時間差 t t、相位差、相位差 或頻率差或頻率差 f f等方法，等方法，可測量出流體的平均速度及流量。可測量出流體的平均速度及流量。 超聲波流量傳感器工作原理超聲波流量傳感器工作原理第10章 超聲波傳感器 10.3.3 超聲波探傷傳感器超聲波探

18、傷傳感器 穿透法探傷：穿透法探傷： 穿透法探傷是根據超聲波穿透工件穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內部質量。后能量的變化情況來判斷工件內部質量。 反射法探傷：反射法探傷： 反射法探傷是根據超聲波在工件中反反射法探傷是根據超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內部是否有缺陷。射情況的不同來探測工件內部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。法兩種。第10章 超聲波傳感器 （1 1穿透法探傷穿透法探傷 優點：指示簡單，適用于自動探傷；可避免盲區，適宜探測薄板。 缺陷：探測靈敏度較低，不能發現小缺陷；根據能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；對兩探頭的相對位置要求較高。 穿透法探傷原理穿透法探傷原理 第10章 超聲波傳感器 （2 2一次脈沖