超声波传感器课稿.ppt

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1、超声波检测传感器（一）声波及其分类 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。(2)声波:振动频率在162104Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。(3)超声波:高于21O4Hz的机械波。(4)微波：频率在31O831O11Hz之间的机械波。,(二)超声波的性质 超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。超声波在均匀介质中按直线方向传播，

2、但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化，取决于两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射(或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接

3、转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。,(三)超声波传感器及应用 以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收到的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器(或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。,1.压电式超声波传感器 压电式超声波传感器的结构如图所示，主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而

4、利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。超声波传感器的超声波频率与压电材料的厚度关系可由下式表示:,在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体，由一个压电元件作为发射和接收兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将这反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。,2.磁致式超声波传感器 磁致式超声波传感器的结构如图所示，主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是:把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是:当超声波

5、作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。,3.超声波传感器的应用 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。,如图所示为用超声波传感器(或称超声波探头)测厚的工作原理，主控制器控制发射电路，按一定频率发射出脉冲信号，此信号经过放大后，一方面加于示波器上，另一方面激励探头，发出超声波，至试件底面反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入示波器，在示波器荧光屏上

6、可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号，根据横轴上的标记信号，可以测出从发射到接收的时间间隔t,如果已知超声波在试件中的传播速度c，那么试件厚度h很容易求得,即h=ct/2。,3.11 传感器选用原则,了解传感器的结构及其发展后，如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，也是需要认真考虑的问题。下面就传感器的选用问题作一些简介。选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,一、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下

7、几个问题。其一，当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。其二，与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。其三，当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好;如果被测量是二维或三维的向量，那么还应

8、要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。,二、响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频带宽;而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。,三、线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传

9、感器的工作量程愈大。为了保证测量的精确度，传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。,四、稳定性传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应

10、注意两个问题。其一，根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水泡时，会改变感光性质。对于磁电式传感器或霍尔效应元件等，当在电场、磁场中工作时，亦会带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪声。,其二;要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。在有些机械自动化系统中或自动检测装置中，所用的传感器往往是在比较恶劣的环境下工

11、作，其灰尘、油剂、温度、振动等干扰是很严重的。这时传感器的选用，必须优先考虑稳定性因素。,五、精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。然而，在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好，这还需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。,在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分

12、析，那么必须获得精确量值。但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.10.01m范围内，欲测得这样的精确量值，必须有高精确度的传感器。,六、测量方式传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。,