第十章 波式和射线式传感器,超声波传感器微波传感器射线式传感器,引言,超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从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，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。,10.1超声波及其物理性质,1、超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强,10.1.1 超声波的基本概念,图10-1 声波的频率界限图,当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。,超声波的波型及其传播速度 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有： 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； 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； 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，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。,超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为,式中：介质的密度； Ba绝对压缩系数。 上述的、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。,0100范围内蒸馏水声速随温度的变化,从表可见，蒸馏水温度在0100范围内，声速随温度的变化而变化，在74 时达到最大值，大于74 后， 声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在9001900m/s 。,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。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。,由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即,声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:,式中：I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的声强； 、分别为声波的入射角和折射角； z1、z2分别为两介质的声阻抗。,当超声波垂直入射界面，即=0时，则,可知，若z2zc1，则反射系数R0，透射系数T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若z2z1, 反射系数R1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当z1 z2时，反射系数R1，声波在界面上几乎全反射。如：在20 水温时，水的特性阻抗为z1 =1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为z2 =0.000 429106 kg/(m2s), z1 z2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。,超声波的声速和波长 （1）声速 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等于介质的密度和声速c的乘积，即Z=c,（2）波长超声波的波长与频率f乘积恒等于声速c，即 f =c,常用材料的密度、声阻抗与声速（0）,超声波的指向性 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。,1超声源 2轴线 3指向角 4等强度线,指向角与超声源的直径D、以及波长之间的关系为sin= 1.22/D设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式（可得=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。,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。其声压和声强的衰减规律为,式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强； x声波与声源间的距离； 衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。,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衰减， 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。 吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。,10.2超声波传感器,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可称为超声波换能器、探测器或传感器。 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，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。,超声波探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。 压电晶片多为圆板形， 厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼块的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。,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，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。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。,斜探头,压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。,聚焦探头,分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能。,箔式探头,利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得0.2mm直径的超细声束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。,空气传导型探头,超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同， 发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。,1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶体片5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,超声波探头耦合剂,一般不能直接将其放在被测介质表面来回移动，以防磨损。 空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。 常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。,10.3 超声波传感器应用,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。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,几种超声物位传感器的结构原理示意图 (a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播,对于单换能器来说， 超声波从发射器到液面， 又从液面反射到换能器的时间为,则,式中：h换能器距液面的距离； c超声波在介质中传播的速度。,对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而,因此液位高度为,式中：s超声波从反射点到换能器的距离； a两换能器间距之半。,超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的， 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播时间差法。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，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。,超声波测厚传感器 超声波测厚常用脉冲回波法。 超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速是已知的，设工件厚度为，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为,=t/2,环境考虑因素,气流外部噪音温度作用传感器被污染目标物体,气流,气流会造成声波的偏转折射,外部噪音,温度作用,冷,低温环境会降低声波的传播速度高温环境会提高声波的传播速度,3cm,3cm,3cm,3cm,热,传感器被污染,异物的聚集作用,* 导致弱信号输出* 导致无反射信号,注意:尽管传感器被污染也是一个需要考虑的因素，但超声波传感器仍然能够在充满异物的操作环境中，卓越的完成传感监测工作。,目标物体材料,目标表面,粗糙的目标表面会对声波有散射作用如目标物体是柔软或海面状的，反射信号是最小值。,3,3cm,3cm,3,目标形状,-目标物体上的突起会对声波有散射作用,3,3cm,3,目标大小,小型目标物体只能反射部分声波,由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。 在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即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后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s。 即：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。,