7.1超声波传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

7.1超声波传感器 本节主要学习超声波的物理特性 着重了解超声波在检测技术中的一些应用 1/7/2024 1 一、超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象。 1/7/2024 2 1、超声波的波型分类 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。 振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。 1/7/2024 3 书上振荡表示： 1/7/2024 4 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。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。 1/7/2024 5 反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。 由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量时间t的方法来精确测量距离L。 例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。 工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大； 在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大； 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型 当波源和观察者相向运动时，1S内通过观察者的波峰（或密部）的数目增加，观察到的频率增加； 例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。 阻抗匹配器：提高接受效率。 由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量时间t的方法来精确测量距离L。 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。 2、 超声波的反射和折射 在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。 超声波的频率越高，特性越与光波相似。 1/7/2024 6 3、 超声波的衰减 声波在同一介质中传播时, 随着传播距离的增加, 能量逐渐衰减, 其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。 例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。 1/7/2024 7 二、超声波发生器原理 压电晶体： 压电效应、逆压电效应 _ y 逆压电效应 电致伸缩效应 在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。 1/7/2024 8 压电材料的固有频率： 当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。——共振 压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。 1/7/2024 9 三、超声波接收器原理 在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。 一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。 压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。 压 电 晶 体 测 量 电 路 超声波 1/7/2024 10 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。 1、超声波测距原理： 超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。 Δ超声波探头 1/7/2024 11 2、超声波探头材料 常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。 工作原理：利用压电材料的压电效应。 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。 利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。 1/7/2024 12 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。 1/7/2024 13 耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须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。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。 1/7/2024 14 空气超声探头 以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。 a）    超声发射器 b）超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电