一、 超声波的基本特性 二、 超声波传感器 三、 超声波传感器应用 第十章第十章 辐射式传感器辐射式传感器第一节 红外辐射传感器第二节 超声波传感器第三节 核辐射传感器1质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测2叠放叠放高度测量高度测量3物物件放置错误检测件放置错误检测4透明塑料张力控制透明塑料张力控制5机械手定机械手定位位6纸卷直径检测纸卷直径检测7平整度测量平整度测量8超长距离检测超长距离检测9流水线计数流水线计数101112 超声波的频率界限图 一、超声波的基本特性一、超声波的基本特性 第二节 超声波传感器131. 超声波的传播速度 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。 超声波与其它声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。式中为介质的密度； 为绝对压缩系数。 在液体和气体中,14在固体中,（1）纵波(2）横波杨氏模量泊松系数15 超声波的反射和折射示意图2.超声波的物理性质(1) (1) 超声波的反射和折射超声波的反射和折射超声波的反射系数和透射系数1c1、2c2分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。 16当超声波垂直入射界面，即=0时，则 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。 如：在20水温时，水的特性阻抗为空气的特性阻抗为1c1 2c217 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）。 (2) (2) 超声波的衰减超声波的衰减18二、超声波传感器 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。 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。 图10-8压电式超声波传感器结构 19 当超声发射器与接收器分别置于被当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为测物两侧时，这种类型称为透射型透射型。透射。透射型可用于型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型反射型，反射型可用于，反射型可用于接近开关、测距、接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚测液位或物位、金属探伤以及测厚等。等。 三、 超声波传感器应用 20超声波测流量原理图1.1.超声波流量传感器超声波流量传感器21F1发射的超声波到达发射的超声波到达 F2的时间较短的时间较短22超声波传感器安装位置示意图 此时超声波的传输时间将由下式确定： 23F1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 T124 发射、接收探头发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧也可以安装在管道的同一侧25同侧式同侧式超声波流量计的使用超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料）（参考北京菲波仪表有限公司资料）26超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用27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2.超声波物位传感器超声波物位传感器 只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。28超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。可测得液体的液面。 29超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形喇叭形 超声发生器超声发生器303.3.超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速31多普勒效应多普勒效应 前进方向的前进方向的频率升高频率升高 如果波源和观察如果波源和观察者之间有相对运动，者之间有相对运动，那么观察者接收到的那么观察者接收到的频频率率和波源的频率就和波源的频率就不相同了，这种现象不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测叫做多普勒效应。测出出 f 就可得到运动速就可得到运动速度。度。32超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风 风引起超声波的频率风引起超声波的频率变大或变小变大或变小33超声波测距超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间冲所需的时间t t，再乘以空气的声速（，再乘以空气的声速（340m/s340m/s），），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2 2就得到距离。就得到距离。 344. 4. 超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间超声波脉冲所需的时间t t，再乘以被测体，再乘以被测体的声速常数的声速常数c c，就是超声脉冲在被测件中，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以所经历的来回距离，再除以2 2，就得到厚，就得到厚度度 ： 35手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪36某超声波测厚仪指标某超声波测厚仪指标 （参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料） 显示方法显示方法128*32 LCD 128*32 LCD 点阵液晶显示（带背光）点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位显示位数：四位 测量范围：测量范围：0.80.8200mm 200mm 示值精度：示值精度：0.1mm 0.1mm 声速范围：声速范围：1000 1000 9999m/s 9999m/s 测量周期：测量周期：2 2次次/ /秒秒 自动关机时间：自动关机时间：9090秒秒 电源：二节七号（电源：二节七号（AAAAAA）电）电池，可连续工作不少于池，可连续工作不少于7272小小时时 使用温度：使用温度：-10-10C C 40 40C C 存储温度：存储温度：-20-20C C 70 70C C 外形尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230g （含电池）（含电池）37超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚38超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚39双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头40双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）415.5.超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率发射器发射出频率 f=40kHz40kHz左右的超声波。如果有人左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移 f。 42