项目五 任务3 超声波传感器及应用（课件）- 《传感器与检测技术（第2版）》同步教学（北京理工版）

CONTENTS 项目六 位移的检测 任务2 超声波传感器及应用 1 CONTENTS 目标要求 1、掌握超声波式传感器的测量原理 2、能够运用超声波传感器进行测距 2 ▲ 超声波传感器 (1)声波:振动频率在20Hz―20KHz之间的机械波。 (2)次声波，振动频率低于20Hz的机械波。 (3)超声波:高于20KHz的机械波。 声波的频率界限图 原理说明 1.次声波 　 次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。 2.可闻声波 　 美妙的音乐可使人陶醉。 3.超声波 蝙蝠能发出和听见超声波。 超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。 　超声波雾化器 　超声波加湿器 2、超声波的传播特性 超声波的传播波形可分为： 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（声波）； 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(水波、电磁波)； 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。表面波只在固体的表面传播。 地震时三种波都存在。 3.声速、波长 纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗 。 介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即 Z=ρc 超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即 λ f =c 超声波的传播特性 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。 超声波的反射和折射：声波从一种介质传播到另一种介质， 在两个介质的分界面上一部分声波被反射, 另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。 超声波传感器的原理 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，其中以压电式最为常用。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：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；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。 超声波探头分类 按工作原理分类：压电式、磁致伸缩式、电磁式 按结构不同分类：超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头等 各种超声波探头 常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm 接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质） 外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。 保护膜 接插件 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。 1.单晶直探头 用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损。 接触式 直探头原理 超声脉冲电压输入端 接地端 超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。 2.双晶直探头 由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。 发射晶片 接收晶片 各种双晶直探头 焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45 ~70 空气超声探头外形 超声波的主要特点 超声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。 当声波从一种介质向另一种介质传播时，在分界面上声波会产生反射和折射，在声波垂直入射时, 如果两种介质的声阻抗（声速×密度）相差悬殊，声波几乎全部被反射。 安静，不会添加噪音，在高强度工作的场合尤为重要。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度一般为340m/s.根