学习目标使学生了解超声波的概念。掌握超声波的传播特性

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1、学习目标：使学生了解超声波的概念。掌握超声波的传播特性。了解超声波的应用。学习重点：（1）超声波的传播特性及应用（2）超声波传感器的应用案例分析。学习难点：超声波的发生接收器的工作原理。＊任务提出：在工业生产中，经常会使用各种密闭容器来储存高温、有毒、易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器的液位检测必须使用非接触式测量。资讯超声波是一种机械波，它方向性好，穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。利用这些物理性质，可把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。超声波传感器就是利用超声波的特性，将非电量转换为电量的测量元件。超声波的特性声波

2、：是一种机械波，由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动，并由近及远的传播。人耳能听到的声波频率：20HZ～20kHZ范围内。频率超过20KHZ称为超声波，低于20HZ称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十kHZ到几十MHZ。。超声波的传播特性：1、传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比。λ为超声波的波长；f为超声波的频率2、通过两种不同的介质时，超声波产生反射和折射现象。但当它由气体传播到液体或固体中，或由固体、液体传播到气体中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。3、通过同种介质时，超声波随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量

3、而衰减。超声波在气体中衰减很快，当频率较高时衰减更快。因此，超声波仪器主要用于固体和液体中。超声波的反射和折射超声检测是一种无损检测。广泛用于金属构件、混凝土制品、塑料制品、陶瓷制品的探伤及厚度检测，以及物位、液位、流量、流速检测和防盗报警等许多领域。应用ERW管材焊缝超声检测系统采用超声检测分析仪检测混凝土(a)磁致伸缩线性位移传感器（b）超声波液位传感器超声波距离传感器以超声波作为检测手段，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。超

4、声探头的外形图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。超声波传感器的特性具有小角度，小盲区，测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点。可应于液位，物位检测，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出。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

5、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。超声波传感器测距的工作原理超声波传感器的使用1．使用超声波传感器的基本原则2． 超声波传感器选型要点超声波探测用耦合剂超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触

6、层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。决策与计划根据密闭罐的检测要求，结合超声波传感器相关知识，选用超声波液位传感器进行检测。静电超声传感器工作原理与电容式麦克风相似：只在一边镀有一层金属的薄介电薄膜形成传感器的活动元件，用来发射和/或接收超声信号。中心开槽的固定底板主要用来集中声束以冲击薄膜。静电传感器更高的灵敏度可转换成比压电传感器更长距离的探测能力（或短距离应用时的更低增益接收电路），以及更为可靠的探测小型及吸声目标的能力。带适当驱动和接收电路的单个静电传感器，可覆盖短至1英寸、长至60英尺的探测距离，使

7、其成为储罐液位测量应用的理想选择。实施工作原理在液罐下方安装了超声波发射器和接收器。超声波传感器发射出的超声波在液面被反射，经过时间t后，探头接收到从液面反射回的回音脉冲，这样探头到液面的距离L由下式可得：c为超声波在被测介质中的传播速度；t为从发出超声波到接收到超声波的时间。超声波测液位示意图超声波液位传感器安装示意图探头安装要求：（1）对于铁质容器，可以给探头工作端面涂上硅脂并用磁性吸盘将其直接贴在容器底部即可；若容器外壳是玻璃等其它材料，可以用胶将探头粘贴固定或用支架固定于容器底部。探头指向须与所测距离在同一直线上。（2）探头正上方无盘管等遮挡物；

8、（3）远离罐底进液口，以避免进液剧烈流