4.2 超声波传感器检测物位（课件）-《传感器与自动检测技术》同步教学（中国铁道出版社）

第4章 物位和流量的检测 4.5超声波测距装置的制作和调试 4.2 超声波传感器检测物位 4.1 电容传感器检测液位 4.3 流量的检测 4.4 光纤传感器测量液位 4.2 超声波传感器检测物位 4.2.1超声波传感器的物理基础 声波频率的界限划分示意图 1. 超声波的波型 纵波 质点振动方向与传播方向一致的波 横波 质点振动方向垂直于传播方向的波 表面波 质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，应多采用纵波。 蝙蝠依靠超声波捕食 超声波雾化器 超声波金丝焊接机 超声波探鱼器 B超 超声波的应用 4.2 超声波传感器检测物位 横波 纵波 表面波 4.2 超声波传感器检测物位 4.2 超声波传感器检测物位 2. 超声波传播速度 超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即 λf = C ３．扩散角 分析：比较人说话的声音和超声波哪个扩散角小 4.2 超声波传感器检测物位 4. 超声波的反射和折射 反射定律：入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比，等于波速之比。当入射波和反射波的波形一样时，波速一样，入射角α即等于反射角α′。 折射定律：入射角为α，折射角为β，波在第一介质中的波速为Ｃ1，在第二介质中的波速为Ｃ2，则有 若两种介质的声阻抗相等或者相接近时，R等于0或近似为0，即不产生反射波，可以视为全透射；两种介质的声阻抗相差悬殊时，声波几乎全部被反射，超声波从密度小得介质射向密度大得介质时，透射也较大，超声波从密度大的介质射向密度小的介质时，透射也较小。 4.2 超声波传感器检测物位 5. 超声波的衰减 当声波在介质中传播时，由于扩散、散射以及介质吸收原因，能量会不断衰减。 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即声波传播距离的增加引起声能的减弱；散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的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，如介质吸收声能并将其转换为热能。因此，介质中声波的衰减与超声波的频率及介质的密度、晶粒粗细等因素有关。气体的密度很小，衰减较快，尤其在频率高时衰减更快。 4.2 超声波传感器检测物位 4.2.2 超声波换能器及耦合技术 1. 超声波换能器 （a）直探头 （b）斜探头 （c）水浸探头 （d）特殊探头 （e）窄脉冲探 （f）表面波探头 4.2 超声波传感器检测物位 （1）单晶直探头 直探头由压电晶片、阻尼吸收块和保护膜组成 （2）双晶直探头 双晶直探头是由两个单晶探头组合而成 （3）斜探头 斜探头由压电晶片、阻尼块及斜楔块组成 单晶直探头 双晶直探头 斜探头 4.2 超声波传感器检测物位 （4）聚焦探头 超声波的聚焦有两种方法，一种是将压电晶片做成凹面，发射的声波直接聚焦；另一种是用声透镜的方法将声束聚焦，一般后一种方法应用较多。 （5）空气传导型探头 发射器的压电片上粘贴锥形共振盘，以提高发射效率和方向性；接收器在共振盘上增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。 空气传导超声波电脉冲发生器 4.2 超声波传感器检测物位 2. 耦合技术 为了防止探头的磨损，一般不直接将超声波探头放在被测介质表面来回移动，并且由于超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层，引起界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，同时空气也将对超声波造成很大的衰减。因此，在工业中通常使用耦合剂充满在接触层中，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。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。 4.2.3 超声波传感器的应用 超声波传感器应用举例 4.2 超声波传感器检测物位 1. 超声波物位测量 （1）定点式物位计 （a）图为声阻式液位计，利用气体和液体对超声振动的阻尼有显著差别这个特性来判断测量对象是液体还是气体。 （b）图为液介穿透式超声液位计，利用两个超声波探头工作，可根据放大器振荡与否来判断换能器间隙是空气还