1、 现代测试技术 课程考核论文 班级 学号 姓名 序号 2014 年 06 月 16 日 非电信号的检测方法与 超声波传感器的原理分析 摘要： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置叫做传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在 电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体
2、能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面 。 关键字： 超声波 流量监测 探伤 工作原理 缺点 正文： 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据震动频率不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。超声波由于其振动频率高、波 长短，因而具有束射性，方向性强，可定向传播，能量也远远大于一般声波，并且具有很强的穿透能力。因此超声波更适合做为传感器检测。 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透达几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生明显反射形成反射成回波，碰到活动物体会产生多普勒效应
3、。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段。应用超声波传感器，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 为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解
4、它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： （ 1）工 作频率 。 工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （ 2）工作温度。 由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （ 3）灵敏度。 主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。 利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或
5、 一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动 时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一 个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中 央部位。 室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定
6、在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到 1mm，并且具有较强的超声波辐射。 利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于 70kHz 的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的 压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为 2.6 107kg/m2s，而空气的声阻抗为 4.3 102kg/m2s。 5 个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻 抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在
7、高达数百 kHz 频率的情况下，仍然能够正常工作。 超声波传感器的应用： 1、超声波流量传感器 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。 如图在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以 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。 vcLtvcLt21一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为 由于 cv, 从上式便可得到流体的流速， 即 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体，还
8、是浆状流体，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。还适用于下水道、 农业灌渠、河流等 流速的测量。 2、 超声波探伤 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。 (1) 穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声电路 管道超 声 波 传 感 器 2超 声 波 传 感 器 1LB1B222122vc
9、LvttttLcv 22波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。 在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部 分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。 (2) 反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法 。 超声波传感器的问题 超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如噪音问题。 虽然多数超声波传感器的工作频率为 40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定
10、的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音， 机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。 这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读 。 总结： 利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域。 参考资料： 1曾光奇、胡均安 .工程测试技术基础 M.华中科技大学出版社 . 2002 2百度文库超声波传感器、超声波在测量中的应用 3吴建平 .传感器原理及应用 M.机械工业出版社 . 2009
