西南交大自动检测技术课件 第八章 超声波传感器

3、比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点？
4、压电式传感器的前置放大器作用是什么? 说明压电元件的等 效电路及其电荷式前置放大器的特点?
5、采用压电传感器能否测量静态和变化很缓慢的信号？请简述 理由。
超声波传感器
1、超声波在介质中有哪些传播特性？ 2、超声波探头有哪几种结构形式？ 3、利用超声波测厚的基本原理是什么？ 试设计一个超声波测厚仪，给出其测量系统原理框图。
超声波发射器每隔一定时间t发射6个脉冲串，每发完6 个脉冲串后对测量电路提供一个短脉冲。 超声波接收器每接收到6个脉冲串后也对测量电路提供 一个短脉冲。
超声波 发生器
40KHz振 荡器 RS双稳 电路1 低频脉冲发 生器 6分频 器1
超声波 接收器
交流放大 器
触发器
6分频器2
双稳电 路2
热电式传感器
二、超声波传感器 超声波传感器实现声电转换的装置，又称为超声波换 能器或超声波探头。
超声波探头：
能发射超声波信号，又能接收发射出去的超声波的回 波，并将其转换成电信号的装置。 超声波探头可分为： 直探头、斜探头、双探头和液浸探头。
直探头、斜探头结构主要为：
压电晶片、内部接线片、导线细杆、金属外壳、接线 柱等。
三、超声波在检测中的应用
1、超声探伤
原理：
利用超声波的发射和折射的物理现象。
当超声波在2种介质中传播时，在它们的界面上一部 分能量反射回原介质，另一部分能量透射过界面，在 另一介质内继续传播。 高频超声波波长短，不易产生绕射，遇到分界面有明 显的反射。 以穿透法探伤为例： 根据超声波穿透工件后能量变化状况来判断工件内部 质量的方法。
1、试比较热电阻、热敏电阻、热电偶测温原理的异同（从电阻 －温度特性角度）。
2、简述在工业控制现场采用热电偶测温进行冷端温度补偿的必 要性？常用冷端补偿有几种方法？ 如果要求完成对冷端温度自动补偿，补偿电路应如何设计？ 3、简述热电偶冷端补偿导线的作用。
压电式传感器
1、什么是压电效应？什么是顺向压电效应？什么是逆向压电效 应？石英晶体的横向和纵向压电效应的产生与外力作用的关系是 什么？ 2、设石英晶片的输出电压幅值为 200mv，若要产生一个大于 500mv的信号，需要几片石英晶片采用什么样的连接方式，其测 量电路（针对前置放大电路）应如何设计？
（1）压电式换能器 工作原理： 在压电晶体切片的两对面上加上高频交变的电压，晶 体切片将产生伸长与缩短的现象。 压电材料的固有振荡频率： f=n•C/2d n— 谐波的级数， C为声波在压电材料中的传播速度。 （2）磁致伸缩式换能器
工作原理(磁致伸缩效应）：
铁磁材料在交变的磁场中，在顺着磁场的方向产生伸 缩的现象（机械尺寸的交替变化）。
（二）超声波接收器 利用超声波发生器的逆效应进行工作。 （1）压电式超声波接收器
工作原理：
当超声波作用到压电晶体切片上时，在晶片的两个表 面将产生交变的电荷。 （2）压磁式超声波接收器 工作原理（压磁效应）： 当超声波作用到铁磁材料上，引起它内部导磁率发生 变化，在铁磁材料的测量绕组上获得感应电势。
第八章
一、定义 超声波传感器：
Hale Waihona Puke 超声波传感器根据超声波的特性实现声电转换，完成非电量检测的 装置。
声波是机械波。 超声波是机械波的一种，超声波的频率高于20kHz。 超声波特性：
波长短，绕射现象小；
方向性好，能定向传播； 超声波在传播过程中衰减很小。 超声波在工业和医学领域有着广泛的应用。
二、超声波的传播特性
振荡源在介质中可产生三种形式的振荡波；
横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；
纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；
表面波——质点振动介于纵波与横波之间，沿表面传 播的波。 说明： 横波只能在固体中传播；
纵波能在固态、液体和气体中传播；
表面波随深度的增加而衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量多采用纵波。
（一）超声波的传播速度
超声波也与其它声波一样，其传播速度与介质密度和 弹性特性有关。
1、在气体和液体中，其传播速度c为
c q1 1 B a
式中ρ——介质的密度； Ba——绝对压缩系数。
2、在固体中，其传播速度为：
E 2 cq ( ) p
1
式中 E——杨氏模量；
I I 0e
2 Ax
式中 I0——距离声源x=0处的声强； x——超声波与声源间的距离； A——衰减系数，
（四）超声波的波型转换 当超声波以某一角度入射到第二介质（固体）界面上 时除有纵波的反射、折射波外，还会有横波的反射和 折射，在一定条件下，还能产生表面波。 若介质为液体或气体，则仅有纵波。
双探头（组合式探头）：在一个探头内安装2块压电片， 分别用于发射和接收，并内装有延迟块，使超声波延迟 一段时间再射入工件。 超声波探头按其工作原理可分为： 压电式（电致伸缩式）、磁致伸缩式等。 实际使用中采用压电式探头最为常见。 （一）超声波发生器 1、超声波的发生
超声波发生器组成：
换能器 产生高频电流或电压的电源
（二）超声波的物理性质
当超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上，一部 分能量反射回原介质，称为反射波；
另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续传 播，称之为折射波， 反射定律： 入射角与反射角的正弦之比等于入射波与 反射波的速度之比。
折射定律 ： 入射角的正弦与折射角的正 弦之比等于介质1中入射波 的波速与介质2中折射波的 波速之比 。 （三）超声波的衰减 超声波在一种介质中传播时，其声强按指数函数规律 衰减。 距离声源x处的声强I的衰减规律如下
2、超声波测液位 原理： 利用超声波在气体或液体中的回声测距原理。
当超声探头向液面发射超声脉冲，经过时间T后，探头 接收到从液面发射回来的回音脉冲，
h=(v•T)/2 v: 超声波在该介质中的传播速度。 超声波液位传感器类型：气介式，液介式 结构：单探头，双探头
3、设计超声波探测仪
要求：测量发射器和探测物之间的距离。