10.1 超声波及其物理性质
10.2 超声波传感器
10.3 超声波传感器的应用第 10章 超声波传感器返回主目录第 10章 超声波传感器
10.1 超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波 。 频率在
16~2× 104 Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波 ; 低于 16
Hz的机械波,称为次声波 ; 高于 2× 104 Hz的机械波,称为超声波 。 如图 10 - 1。
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,在介质面上会产生反射,折射和波形转换等现象 。
一,超声波的波形及其转换由于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,
① 纵波 ——质点振动方向与波的传播方向一致的波 ;
② 横波 ——质点振动方向垂直于传播方向的波 ;
③ 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 。
纵波,横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度,气体中声速为 344 m/s,液体中声速在
900~1900 m/s。
当纵波以某一角度入射到第二介质 （ 固体 ） 的界面上时,除有纵波的反射,折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波 。
二,
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,如图 10 - 2所示 。
由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角 α的正弦与反射角 α′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 α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,
2
1
s in
s in
c
ca?
三,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
Px= P0e-αx （ 10 - 2）
Ix= I0e-2αx （ 10 - 3）
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 ;
α——衰减系数,单位为 Np/m（ 奈培 /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,
即随声波传播距离增加而引起声能的减弱 。 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,介质吸收声能并转换为热能 。
10.2
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,而以压电式最为常用 。
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 ; 而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头 。
超声波探头结构如图 10 - 3所示,主要由压电晶片,吸收块 （ 阻尼块 ）,保护膜组成 。 压电晶片多为圆板形,厚度为 δ。
超声波频率 f与其厚度 δ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 。
10.3 超声波传感器的应用一,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均使用一个换能器,而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任 。
图 10 - 4给出了几种超声物位传感器的结构示意图 。 超声波发射和接收换能器可设置水中,让超声波在液体中传播 。
由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播 。 超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方,让超声波在空气中传播,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害 。
对于单换能器来说,超声波从发射到液面,又从液面反射
v
ht 2?
2
vth?
式中,h ——换能器距液面的距离 ;
v ——超声波在介质中传播的速度 。
对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为 2s,而
s = （ 10 - 6）
h = （ s2-a2） 1/2 （ 10 - 7）
式中,s ——超声波反射点到换能器的距离 ;
a ——两换能器间距之半 。
2
vt
从以上公式中可以看出,只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间,便可以求得待测的物位 。
超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面发生波动,便会有较大的误差 。 在一般使用条件下,它的测量误差为 ± 0.1%,检测物位的范围为 10-2～ 104 m。
二,
超声波流量传感器的测定原理是多样的,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输时间差法 。
超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的,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 。
如果在流体中设置两个超声波传感器,它们可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为 L。 如图 10 - 5所示 。 如设顺流方向的传输时间为 t1,逆流方向的传输时间为 t2,流体静止时的超声波传输速度为 c,流体流动速度为 v,
t1 = （ 10 - 8）
t2 = （ 10 - 9）
一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度,那么超声波传播时间差为
vc
L
vc
L
Δt=t2-t1= （ 10 - 10）
由于 c v,从上式便可得到流体的流速,
v = （ 10 - 11）
在实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响,如图 10 - 6所示 。
22
2
vc
Lv
tLc2
2
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点,可测流体种类很多,不论是非导电的流体,高粘度的流体,浆状流体,只要能传输超声波的流体都可以进行测量 。 超声波流量计可用来对自来水,工业用水,农业用水等进行测量 。
还可用于下水道,农业灌溉,河流等流速的测量 。
10.2 超声波传感器
10.3 超声波传感器的应用第 10章 超声波传感器返回主目录第 10章 超声波传感器
10.1 超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波 。 频率在
16~2× 104 Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波 ; 低于 16
Hz的机械波,称为次声波 ; 高于 2× 104 Hz的机械波,称为超声波 。 如图 10 - 1。
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,在介质面上会产生反射,折射和波形转换等现象 。
一,超声波的波形及其转换由于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,
① 纵波 ——质点振动方向与波的传播方向一致的波 ;
② 横波 ——质点振动方向垂直于传播方向的波 ;
③ 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 。
纵波,横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度,气体中声速为 344 m/s,液体中声速在
900~1900 m/s。
当纵波以某一角度入射到第二介质 （ 固体 ） 的界面上时,除有纵波的反射,折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波 。
二,
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,如图 10 - 2所示 。
由物理学知,当波在界面上产生反射时,入射角 α的正弦与反射角 α′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 α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,
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三,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
Px= P0e-αx （ 10 - 2）
Ix= I0e-2αx （ 10 - 3）
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 ;
α——衰减系数,单位为 Np/m（ 奈培 /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,
即随声波传播距离增加而引起声能的减弱 。 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,介质吸收声能并转换为热能 。
10.2
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,而以压电式最为常用 。
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 ; 而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头 。
超声波探头结构如图 10 - 3所示,主要由压电晶片,吸收块 （ 阻尼块 ）,保护膜组成 。 压电晶片多为圆板形,厚度为 δ。
超声波频率 f与其厚度 δ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 。
10.3 超声波传感器的应用一,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均使用一个换能器,而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任 。
图 10 - 4给出了几种超声物位传感器的结构示意图 。 超声波发射和接收换能器可设置水中,让超声波在液体中传播 。
由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播 。 超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方,让超声波在空气中传播,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害 。
对于单换能器来说,超声波从发射到液面,又从液面反射
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式中,h ——换能器距液面的距离 ;
v ——超声波在介质中传播的速度 。
对于双换能器来说,超声波从发射到被接收经过的路程为 2s,而
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式中,s ——超声波反射点到换能器的距离 ;
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从以上公式中可以看出,只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间,便可以求得待测的物位 。
超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面发生波动,便会有较大的误差 。 在一般使用条件下,它的测量误差为 ± 0.1%,检测物位的范围为 10-2～ 104 m。
二,
超声波流量传感器的测定原理是多样的,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输时间差法 。
超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的,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 。
如果在流体中设置两个超声波传感器,它们可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为 L。 如图 10 - 5所示 。 如设顺流方向的传输时间为 t1,逆流方向的传输时间为 t2,流体静止时的超声波传输速度为 c,流体流动速度为 v,
t1 = （ 10 - 8）
t2 = （ 10 - 9）
一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度,那么超声波传播时间差为
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Δt=t2-t1= （ 10 - 10）
由于 c v,从上式便可得到流体的流速,
v = （ 10 - 11）
在实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响,如图 10 - 6所示 。
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超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点,可测流体种类很多,不论是非导电的流体,高粘度的流体,浆状流体,只要能传输超声波的流体都可以进行测量 。 超声波流量计可用来对自来水,工业用水,农业用水等进行测量 。
还可用于下水道,农业灌溉,河流等流速的测量 。
