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超声波传感器(下)详解

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  二、超声波发生器原理 y ? ? 压电晶体: 压电效应、逆压电效应 电致伸缩效应 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 1 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 ?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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 2 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。 压 电 晶 体 第四章 非电量的电测技术 超声波 测 量 电 路 3 2018/11/1 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。 ? 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 4 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。 ? 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 5 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 6 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 7 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。 5—引脚 8 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 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 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。 ? 反射 透射 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 9 1、超声波流量计 F1发射的超声波先到达 T1 L F1:t1 = v + c sin ? 2018/11/1 L F2:t 2 = c sin ?-v ?=90?-? 10 第四章 非电量的电测技术 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 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 11 L F1:t1 = v + c sin ? L F2:t 2 = 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 = f 0t1 1 f 0 v + c sin ? f1 = = = t1 N1 L 2018/11/1 N2 = f 0t2 f 0 c sin ?-v 1 f2 = = = t2 N 2 L 第四章 非电量的电测技术 12 v + c sin ? c sin ?-v ?f = f1-f 2= - L L f0 f0 f( 2v 0 N1-N 2) = = - = L N1 N 2 N1 N 2 Lf( 0 N1-N 2) v= 2 N1 N 2 SLf ( 0 N1-N 2) (N1-N 2) 流量q = vS= =k 2 N1 N 2 2 N1 N 2 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 13 超声波流量计现场使用 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 14 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。 - 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。 第四章 非电量的电测技术 15 2018/11/1 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)。 第四章 非电量的电测技术 16 2018/11/1 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 17 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 18 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 19 ? 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。 第四章 非电量的电测技术 20 2018/11/1 超声波测量液位和物位 喇叭形 超声发生器 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 21 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。 2018/11/1 第四章 非电量的电测技术 22

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