(第八章)超声波传感器.ppt

第8章 超声波传感器 ;8.1 超声波及其物理性质 ;图8-1 声波的频率界限图 ;8.1.1 超声波的波型及其传播速度 声波的类型有： ① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； ② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；  ③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 ;为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。;图8-2 超声波的反射和折射; 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比？。 当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即 ;8.1.3 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，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 ; 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。 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。 　　散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。 　　吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。 ;8.2 超声波传感器 ; 超声波探头结构如图8-3所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。 　　压电晶片多为圆板形， 厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。 　　阻尼块的作用：降低晶片的机械品质， 吸收声能量。 如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时， 晶片将会继续振荡， 加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。 ;图8-3 压电式超声波传感器结构 ;8.3 超声波传感器应用 ; 图8-4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图8-4（a）所示。 由于超声波在液体中衰减比较小， 所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。 超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播， 如图8-4（b）所示。这种方式便于安装和维修， 但超声波在空气中的衰减比较厉害。 ;图8-4 几种超声物位传感器的结构原理示意图 (a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播; 对于单换能器来说， 超声波从发射器到液面， 又从液面反射到换能器的时间为 ; 对于如图8-4所示双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而 ; 从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。  超声物位传感器特点：精度高、寿命长， 误差来源：液体中有气泡或液面发生波动 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10-2~104m。 ;8.3.2 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的， 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。  超声波在流体中传播时，在静止流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8-5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，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则 ;图8-5 超声波测流量原理图; 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为 ;图8-6 超声波传感器安装位置 ;此时超声波的传输时间将由下式确定： ; 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状流体， 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。 还适用于下水