5.2超声波传感器测量液位（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

● 项目——液位测量 ● 任务——密闭容器液位检测 1 ► 任务导入 密闭容器液位检测 在工业生产中，经常会使用各种密闭容器来储存高温、有毒、易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器的液位检测必须使用非接触式测量 。超声波液位传感器超声波液位传感器属于非接触测量，可以避免直接与液体接触，避免液体对传感器探头损坏，并且反应速度快。 方向性好，穿透力强， 遇到杂质或分界面会产生显著的反射 把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量 超声波传感器就是利用超声波的特性，将非电量转换为电量的测量元件 超声波传感器在无损探伤、厚度测量、流速测量、防盗等领域有广泛应用 超声波 传感器 应用 ►超声波的物理特性——声波的分类 ● 声波是一种机械波，由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动，并由近及远的传播。 密闭容器液位检测 波形类型 纵波 横波 表面波 质点振动方向与波的传播方向一致的波 质点振动方向垂直于传播方向的波 点振动介于横波和纵波之间 ► 超声波的物理特性——超声波的波形 ► 超声波的物理特性——超声波的传播特性 1. 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比 超声波的波长 超声波的频率 2. 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在两种介质面上一部分超声波被反射，另一部分超声波透射过界面，在另一种介质内传播，这两种情况称之为超声波的反射和折射。 ● 但当它由气体传播到液体或者固体中，或者固体、液体传播到气体中时，由于介质密度相差太大而几乎发生全部反射。 ► 超声波的物理特性——超声波的传播特性 入射波  ′ 界面 介质1 介质2 反射波 折射波 密闭容器液位检测 7 ► 超声波的物理特性——超声波的传播特性 3. 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。超声波在气体中的衰减很快，当频率较高时衰减更快。 传播距离增加 强 度 衰 减 声波的扩散、散射、吸收等 超声波仪器主要用于固体和液体中 ► 超声波传感器的组成 ● 定义：利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应，而用电信号经超声感知的器件。 密闭容器液位检测 利用各种效应研制的换能装置 有时称作超声波换能器 1. 超声波探头 超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。 9 ► 超声波传感器的组成——超声波探头 压电式 磁致伸缩式 电磁式 ● 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头 ● 它是利用压电材料的压电效应来工作的 √ 利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作 为发射探头 √ 利用正压电效应将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头 ► 超声波传感器的组成——超声波探头 密闭容器液位检测 压电片 保护膜 吸收块 接线 压电片座 压电晶片多为圆板形，两侧镀有银层，作导电的极板。 吸收块所用是降低晶片的振动，吸收声能量。 11 ► 超声波传感器的组成——超声波探头 密闭容器液位检测 ● 组成：并联的两个压电晶片和一个共振板。 ● 当压电晶片的两个极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 ● 反之，如果两个电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械信号转换为电信号，此时成为超声波接收器。 12 ► 超声波传感器的组成——耦合技术 密闭容器液位检测 ● 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面积按存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成告饶，并造成很大的衰减。 必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利入射到被测介质中。 单晶直探头和双晶直探头 13 ► 超声波传感器的工作原理 23KHz 40KHz 75KHz 200KHz 谐振频率高 检测距离短 分辨力提高 密闭容器液位检测 ► 超声波传感器的工作原理 密闭容器液位检测 ● 当40KHZ的脉冲电信号加在超声波发射器上，由压电瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声波振动信号以疏密波的形式向外发射出去。 ► 超声波传感器的工作原理 密闭容器液位检测 ● 接收器收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将其转换成电脉冲信号，由于该脉冲的信号幅度小（微伏级）经信号放大器放大，最后驱动执行器使电路工作。 ► 超声波传感器的应用——超声波测厚度 ● 在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法。脉冲回波法测量工件厚度原理，主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件的厚度 密闭容器液