传感器与检测技术 教学课件 作者 魏学业 第7章 超声波传感器和红外传感器.pptx

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1、超声波传感器和红外传感器第七章本章主要内容7.1超声波传感器7.2红外传感器7.1超声波传感器机械振动在空气中的传播称为声波，人耳可听的声波频率范围是16～20kHz，20kHz以上的频率，人的耳朵就听不到了。通常把超过可听声频率的声波（即大于20kHz）称为超声波，超声波具有很好的定向性和穿透能力。超声波传感器是利用超声波的一些物理性质，把非电量（如高度、位移、速度等）转换成声学参数（如声速、声阻抗、声衰减等），而这些声学参数又利用某些传感元件（如压电元件）转换成为电参数，因此超声波检测技术是

2、一种非电量检测技术，广泛应用于液位检测、厚度检测和金属探伤等方面。7.1.1工作原理1．超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。超声波的指向性很好，能量集中，因此穿透能力强，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（如空气与某种介质的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声波的指向性就越好。频率在300MHz～300GHz的波称为微波，如图所示。2．超声波及其波形由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有

3、以下几种类型的波形。（1）纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播。（2）横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。当介质质点受到交变的剪切应力作用时，产生切变形变，从而形成横波，它只能在固体中传播。（3）表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向）。表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，质点的振幅就已经很小了

4、。表面波只能沿着固体的表面传播。为了测量各种状态下的物理量，应多采用纵波。纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度，气体中声速为344m/s，液体中声速在900～1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。3．超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质，在两种介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面在另一种介质内部继续传播，这种现象称为声波的反射和折射，如图所示。（1）反

5、射定律由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波在同一介质时，入射角等于反射角。（2）折射定律当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比，即4．超声波的衰减声波在介质中传播时会被吸收而衰减，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。气体吸收最强而衰减最大，液

6、体其次，固体吸收最小而衰减最小。另外，声波在介质中传播时，衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波衰减也越强。因此，超声波比其他声波在传播时更明显。5．超声波传感器不管是哪一种超声波装置，都必须把超声波发射出去，然后再把超声波接收回来，变换成电信号，完成这一部分作用的装置称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。压电式超声波探头结构如图所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声

7、波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层作导电的极板，压电片的底面接地线，上面接导线引至电路中。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。当吸收块的阻抗等于晶体的声阻抗时，效果最佳。为了避免压电片与被测体直接接触而磨损压电片，在压电片下粘贴一层保护膜。保护膜材料的性质应该与声阻抗相匹配。上图所示为典型的磁致伸缩型振子结构，图（a）是角型振子；图（b）是筒型振子；图（c）是采用铁氧体角型振子

8、，这种超声波传感器上限额频率到100kHz左右，主要用于海洋测量鱼群探测器和声纳。7.1.2驱动和接口电路脉冲超声激发/接收电路总体框图如右图所示，它是由激发电路和接收电路两大部分组成。激发电路包括多谐振荡电路、场效应管驱动电路、充放电电路及电源电路。接收电路包括输入保护电路、放大电路、滤波电路及电源电路等。激发电路的功能是在外接的磁致伸缩式超声传感器上施加高压脉冲，产生脉冲磁场，进而在磁致伸缩丝中激发出脉冲超声波。接收电路的功能是对磁致伸缩式传感器输出的微弱感应电动势进行调理输出，并抑制激发时