超聲波傳感器

1、 所屬課程名稱 傳感器原理及其應(yīng)用 題 目 超聲波傳感器 學(xué) 院 專業(yè)班級 學(xué)號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2016 年 6 月 17 日 超聲波傳感器【摘要】 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)、工作原

2、理 超聲波流量測量 超聲波探傷 總結(jié)1.結(jié)構(gòu)、工作原理超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成 的傳感器。超聲波是一種振動頻 率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠 成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反 射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲 波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能

3、器，或者超聲探頭。 圖1.超聲波傳感器超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大

4、，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。 圖2. 超聲波傳感器實圖當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或 一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動 時，

5、就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。如超聲波傳感器，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一 個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。 室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進(jìn)行覆蓋。對應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達(dá)到1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動

6、器的彎曲振動，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動模式的 壓電陶瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電陶瓷的聲阻抗為2.6×107kg/m2s，而空氣的聲阻抗為 4.3×102kg/m2s。5個冪的差異會導(dǎo)致在壓電陶瓷振動輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹配層，可實現(xiàn)與空氣的聲阻 抗相匹配。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達(dá)數(shù)百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。1.2系統(tǒng)構(gòu)成超聲波傳感器主要由如下四個部分構(gòu)成：1、發(fā)送器：通過振子（一般為陶瓷制品，直徑約為15

7、mm）振動產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。2、接收器：振子接收到超聲波時，根據(jù)超聲波發(fā)生相應(yīng)的機(jī)械振動，并將其轉(zhuǎn)換為電能量，作為接收器的輸出。3、控制部分：通過用集成電路控制發(fā)送器的超聲波發(fā)送，并判斷接收器是否接收到信號（超聲波），以及已接收信號的大小。4、電源部分：超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。2.超聲波傳感器的應(yīng)用2.1超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的， 如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。 超聲波在流

8、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，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積， 便可知道流體的流量。 如果在流體中設(shè)置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L, 如圖所示。 圖3.超聲波測流示意圖 一般來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度， 因此超聲波傳播時間差為 由于c>>v, 從上式便可得到流體的流速， 即 圖4.超聲波傳感器安裝位置此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳

9、輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、 農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測量。還適用于下水道、 農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測量。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無關(guān)，因而測量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器價格貴，線路比較復(fù)雜。在微處理機(jī)普及應(yīng)用后，這個缺點可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設(shè)備價格便宜，

10、但準(zhǔn)確度低。2.2 超聲波探傷 對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。 (1) 穿透法探傷 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。 在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。(2) 反射法探

11、傷 反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明檢測原理。發(fā)射探頭接收探頭高頻發(fā)生器工件放大器顯示圖5. 穿透法探傷示意圖高頻發(fā)生器工件缺陷F探頭T接收放大TFBB圖6. 反射法探傷示意圖 高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖(發(fā)射波)加在探頭上，激勵壓電晶體振蕩，使之產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波f、缺陷波F及底波經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。熒光屏上的水平亮線為掃描線(時間基準(zhǔn))，其長度與時

12、間成正比。由發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大?。挥扇毕莶ǖ男螤?，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。 超聲波探傷的優(yōu)點是檢測厚度大、靈敏度高、速度 快、成本低、對人體無害，能對缺陷進(jìn)行定位和定量。然而，超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結(jié)果不便保存等，使超聲波探傷也有其局限性。3.優(yōu)缺點1、現(xiàn)在的超聲波傳感器頻率都相對固定，例如40KHz的傳感器，只能用在38-42KHz上，其它頻率的

13、也類似，目前幾乎見不到頻域范圍廣的傳感器，例如40KHz500KHz這樣的產(chǎn)品；2、驅(qū)動電壓較高，一般100Vp-p到1500Vp-p之間，在很多低壓設(shè)備上需要脈沖變壓器升壓，但也會隨之帶來一些復(fù)雜問題。如果有35V低壓驅(qū)動（較大功率）的傳感器就更好了；3、靈敏度，最好能再高一些；總的來說，這些問題主要是由于超聲波傳感器多采用壓電陶瓷材料的原因，其它材料或結(jié)構(gòu)的超聲波傳感器，目前在國內(nèi)幾乎見不到。再說適用性方面，超聲波用來檢測，一般適合12m以內(nèi)的測距（極限25米），或者測厚度、探傷、B超等，都是很適合的，精度也很高。但是超過12米，例如1公里測距超聲波就很難做到了。4.總結(jié) 我們利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，可以實現(xiàn)液位、流量、粘度、厚度、距離以及探傷等參數(shù)的測量。所以，超聲