超声波传感器

• 优点：指示简单，适 用于自动探伤；可避 免盲区，适宜探测薄 板。 • 缺点：探测灵敏度较 低，不能发现小缺陷； 根据能量的变化可判 断有无缺陷，但不能 定位；对两探头的相 对位置要求较高。
穿透法探伤原理
第7章 超声波传感器
（2）一次脉冲反射法
一次脉冲反射法探伤原理
第7章 超声波传感器
（3）多次脉冲反射法
导电 螺杆
金属 壳
接线 片
吸收 块
压电 晶片 保护 膜
压电式超声波传感器结构
第7章 超声波传感器 磁致伸缩式
d
~
~
图9.3.2 磁致伸缩超声波发生器 磁致伸缩式超声波传感器: 利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的 • 磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械 尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。 • 磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时， 引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据 电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送 到测量电路，最后记录或显示出来。
第7章 超声波传感器
• 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、
气）
• 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）
• 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传
播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器 超声波的传播速度 取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。
表面波
c 0.9
G

纵波
c
E — 杨氏模量； — 泊松比； G —剪切弹性模量。
第7章 超声波传感器 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为 例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加， 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、压强等也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系： 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344m/s，液体中纵波声速为900～ 1900m/s。
第7章 超声波传感器
B2
B2 L
v
传感器1
电路 超声波测流量原理图
传感器2
c—— 超声在流体中的速度
v—— 流体的平均流速
顺流
L t1 cv
逆流
t2
L cv
2 Lv t t2 t1 2 c v2
c2 t 由于c>>v, v 2L
第7章 超声波传感器
传感器1
c—— 超声在流体中的速度
超声波流量传感器工作原理
第7章 超声波传感器
超声波探伤传感器
• 穿透法探伤：
穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的 变化情况来判断工件内部质量。
• 反射法探伤：
反射法探伤是根据超声波在工件中反射情 况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分 为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。
第7章 超声波传感器 （1）穿透法探伤
地震发生后，能量通过波的形式传递，主要体现在纵波（P波）和横波（S波）上。
P波的传递速度快，达到每秒6公里左右，可通过固体、液体和空气介质传递，而横
波的传递速度慢一些，大约在每秒3.5公里，主要通过固体介质传递，两者属于体波 的范畴。与体波相对应的是表面波，面波沿着地表传播，因此从破坏力上看，表面 波的威胁最大，其次是横波和纵波。
d
第7章 超声波传感器 超声波振荡电路 数字式超声波振荡电路
振荡器产生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049的
H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H3～H6进行功率放大，再
经过耦合电容CP传给超声波振子MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电 压，会使传感器特性明显变差， 因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供
介质2

折射波
c1—入射声波速, c2—折射声波速
第7章 超声波传感器 声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:
I r cos 2c2 I t 4 1c1 2c2 cos2 R T I 0 cos 1c1 I 0 ( 1c1 cos 2c2 )2 I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、透射波的声强； ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗。
第7章 超声波传感器
7.2 超声波传感器
能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声 波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。 • 应用： 超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、
液位测量、超声清洗、超声医疗等。 • 特点： 精度高，被测物体不受影响，使用寿命长 • 结构： 直探头、斜探头、双探头和液浸探头 • 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式
超声波传感器MA40S2S产生40 kHz能量的超声波。
第7章 超声波传感器
7.3 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：传感器发射和接收超声波使用同一个换能器 双换能器：传感器发射和接收各由一个换能器担任
1 ct 2
第7章 超声波传感器
高度的分选和移 动
第7章 超声波传感器
倒车雷达
第7章 超声波传感器
鱼群探测器
第7章 超声波传感器
超声波流量传感器
• 理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度 有关。 • 特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。 • 工作原理：传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、 流动听声法等。 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。
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/cm（奈培/厘米）。
声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮 粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：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。
第7章 超声波传感器 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
第7章 超声波传感器 表10-1 0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化
第7章 超声波传感器 超声波的反射和折射 （1）反射定律 当波速一致时
入射波 反射波
＝
（2）折射定律
'

介质1
′
界面
sin c1 sin c2
多次脉冲反射法探伤原理
第7章 超声波传感器
A
t
第7章 超声波传感器
案例：输油管检测检测机器人
第7章 超声波传感器 超声波测温传感器
第7章 超声波传感器
h
s
h
2a
ct h 2
h
(a ) 2a
h s a
2
s h
2
(b )
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
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器
液位测量储油罐分选来自第7章 超声波传感器超声波液位计
第7章 超声波传感器 多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器
当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则
2 c2 1 4 1c1 2 c2 c1 1 R , T 2 c2 2 ( c c ) 1 1 2 2 1 1c1 若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，T≈1，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ρ2c2>>ρ1c1, R≈1，则声波几乎全反射，透射极少。 当ρ1c1>>ρ2c2，R≈1，声波几乎全反射。 在20℃水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
MDARS-E型室外保安机器人
第7章 超声波传感器
为计数或安全目的，进行人员探测
第7章 超声波传感器
堆置高度控制
厚度测量
第7章 超声波传感器 超声波测厚
脉冲回波法检测厚度工作原理
第7章 超声波传感器
2 1
3
4
5
6 图9—10
1—双晶直探头 2—引线电缆
超声波测厚
4—反射波 5—试件 6—测厚显示器
给传感器。该电路通过调节R可改变振荡频率：
1 f0 (Hz ) 2.2 RC
第7章 超声波传感器
采用脉冲变压器的超声波振荡电路
采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶 体管V放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉
冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S。
L
1
2
S1
L1
介质1
介质2

界面 L2

S2
L—入射纵波； L1 —反射纵波； L2 —折射纵波 S1 —反射横波； S2—折射横波。
第7章 超声波传感器 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。其声压和声强的衰减规律为
ax 2ax Px Pe ， I I e 0 x 0
v—— 流体的平均流速