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第10章 超声波传感器 传感器原理及工程应用 第10章 超声波传感器 10.1 超声波及其物理性质 频率高于2×104 Hz的机械波, 称为超声波。 如图 超声波两种介质界面上会产生反射,折射和波形转换等现象 10.1.1 超声波的波形及其转换 声源在介质中施力方向与介质中传播方向的不同,波型也不同。通常有:纵波、横波、表面波 测量多采用纵波。 纵波以角度入射到固体界面上时,有纵波的反射、折射,还有横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。 10.1.2 超声波的反射和折射 当波在界面处产生折射时, 入射角α的正弦与折射角的正弦之比, 等于两介质中的波速C1与波速C2之比, 即 声波的反射系数和折射系数分别为 垂直入射时a=b=0 当波在界面上产生反射时, 入射角α与反射角α′相等。 声波在介质中传播时, 随着传播距离的增加,能量逐渐衰减, 衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。 10.1.3 超声波的衰减 其声压和声强的衰减规律为 Px= P0e-αx与Ix= I0e-2αx 声波的扩散是 随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 在介质中传播时,能量衰减决定于声波的扩散、散射和吸收 散射衰减是介质中颗粒界面或流质中悬浮粒子使声波散射 吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的, 介质吸收声能并转换为热能。 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器、 探测器或传感器。 10.2 超声波传感器 超声波探头按其工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等, 而以压电式最为常用。 压电式超声波探头常用的是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称压电式超声波探头。它是利用压电效应来工作的 逆压电效应将高频电振动转换成机械振动, 产生超声波, 作为发射探头;  正压电效应,将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 超声波探头结构如图,由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜组成 阻尼块作用是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。 单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器, 而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任 10.3 超声波传感器的应用 10.3.1 超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。 从发射超声脉冲到收到反射波为止时间可得分界面的位置, 传感器可分为单换能器和双换能器 超声物位传感器的示意图 传感器可分为单换能器和双换能器。 超声波发射和接收换能器也可装在液面的上方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。 超声波发射和接收换能器可设置水中, 在液体中传播。超声波在液体中衰减较小,较小超声脉冲幅度也可工作。 对于单换能器来说, 超声波从发射到反射到换能器的时间为t,则液位高度为 对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,液位高度为 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点, 若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在使用条件下,测量误差为±0.1%, 检测物位的范围为10-2～104 m。 超声波流量传感器的测定原理是多样的, 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输时间差法。 10.3.2 超声波流量传感器 超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 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。  在流体中上下游各设置一个超声波传感器,其距离为L.如图 t1=L/(c+v);t2=L/(c-v) 超声波传播时间差为 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度故 切换器 发射 主控 接收 输出门 锯齿电压 峰值检出 差分放大 流量显示 q P B F O C J 在实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波如图所示 第10章 超声波传感器 传感器原理及工程应用