自动化知识 (2)幻灯片.ppt

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1、自动化知识第1 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二第10 章 超声波传感器 10.1 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。频 率 在162104 Hz 之间,能 为 人 耳 所 闻 的 机 械 波,称 为 声 波;低 于16 Hz 的 机 械 波,称 为 次 声波;高于2104 Hz 的机械波,称为超声波。如图10-1。当 超 声 波 由 一 种 介 质 入 射 到 另 一 种 介 质 时,由 于 在 两 种 介 质 中 传 播 速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。第2 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二

2、第3 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 一、超声波的波形及其转换 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,声波的波型也不同。通常有:纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的波;横波 质点振动方向垂直于传播方向的波;表 面 波 质 点 的 振 动 介 于 横 波 与 纵 波 之 间，沿 着 表 面 传 播 的 波。横 波 只 能 在 固 体 中 传 播，纵 波 能 在 固 体、液 体 和 气 体 中 传 播,表 面 波 随深度增加衰减很快。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

3、速 度 取 决 于 介 质 的 弹 性 常 数 及介质密度,气体中声速为344 m/s,液体中声速在9001900 m/s。第4 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 当 纵 波 以 某 一 角 度 入 射 到 第 二 介 质（固 体）的 界 面 上 时,除 有 纵 波的 反 射、折 射 外,还 发 生 横 波 的 反 射 和 折 射,在 某 种 情 况 下,还 能 产生表面波。二、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 个 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

4、 内 部 继 续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射,如图10-2 所示。第5 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二第6 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 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 波 在 界 面 处 产 生 折 射 时,入 射 角 的 正弦 与 折 射 角 的 正 弦 之 比,等 于 入 射 波 在 第 一 介 质 中 的 波 速C1与 折 射 波 在第二介质中的波速C2之比,即 三、超声波的衰减 声 波 在 介 质 中 传 播 时,随 着 传

5、播 距 离 的 增 加,能 量 逐 渐 衰 减,其 衰 减 的 程 度 与 声 波 的 扩 散、散 射 及 吸 收 等 因 素 有 关。其 声 压和声强的衰减规律为 Px=P0e-x（10-2）Ix=I0e-2x（10-3）第7 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二式中:Px、Ix 距声源x 处的声压和声强;x 声波与声源间的距离;衰减系数,单位为Np/m（奈培/米）。声 波 在 介 质 中 传 播 时,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

6、 而 引 起 声 能 的 减 弱。散 射 衰 减 是 固 体 介 质 中 的 颗 粒 界 面 或 流体 介 质 中 的 悬 浮 粒 子 使 声 波 散 射。吸 收 衰 减 是 由 介 质 的 导 热 性、粘 滞性及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热能。第8 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二10.2 超声波传感器 利 用 超 声 波 在 超 声 场 中 的 物 理 特 性 和 各 种 效 应 而 研 制 的 装 置 可称为超声波换能器、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

7、式 超 声 波 探 头 常 用 的 材 料 是 压 电 晶 体 和 压 电 陶 瓷,这 种 传感 器 统 称 为 压 电 式 超 声 波 探 头。它 是 利 用 压 电 材 料 的 压 电 效 应 来 工 作 的:逆 压 电 效 应 将 高 频 电 振 动 转 换 成 高 频 机 械 振 动,从 而 产 生 超 声 波,可 作 为发 射 探 头;而 利 用 正 压 电 效 应,将 超 声 振 动 波 转 换 成 电 信 号,可 用 为 接 收探头。第9 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 超 声 波 探 头 结 构 如 图10-3 所 示,主 要 由 压 电 晶 片、吸 收 块（阻 尼

8、块）、保 护 膜 组 成。压 电 晶 片 多 为 圆 板 形,厚 度 为。超 声 波 频 率f 与其 厚 度 成 反 比。压 电 晶 片 的 两 面 镀 有 银 层,作 导 电 的 极 板。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。第10 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二第1 1 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二10.3 超声波传感器的应用 一、超声波物位传感器 超 声 波

9、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 和 双 换 能 器。单 换 能 器 的 传 感 器 发 射 和 接 收 超声 波 均 使 用 一 个 换 能 器,而 双 换 能 器 的 传 感 器

10、 发 射 和 接 收 各 由 一 个 换能器担任。第12 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 图10-4 给 出 了 几 种 超 声 物 位 传 感 器 的 结 构 示 意 图。超 声 波发 射 和 接 收 换 能 器 可 设 置 水 中,让 超 声 波 在 液 体 中 传 播。由 于 超 声波 在 液 体 中 衰 减 比 较 小,所 以 即 使 发 生 的 超 声 脉 冲 幅 度 较 小 也 可以 传 播。超 声 波 发 射 和 接 收 换 能 器 也 可 以 安 装 在 液 面 的 上 方,让超 声 波 在 空 气 中 传 播,这 种 方 式 便 于 安 装 和 维 修,但 超 声

11、 波 在 空 气 中的衰减比较厉害。对 于 单 换 能 器 来 说,超 声 波 从 发 射 到 液 面,又 从 液 面 反 射 到 换 能器的时间为 第13 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二第14 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二式中:h 换能器距液面的距离;v 超声波在介质中传播的速度。对 于 双 换 能 器 来 说,超 声 波 从 发 射 到 被 接 收 经 过 的 路 程 为2s,而 s=（10-6）因此液位高度为 h=（s2-a2）1/2（10-7）式中:s 超声波反射点到换能器的距离;a 两换能器间距之半。第15 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 从 以

12、 上 公 式 中 可 以 看 出,只 要 测 得 超 声 波 脉 冲 从 发 射 到 接 收 的 间隔时间,便可以求得待测的物位。超 声 物 位 传 感 器 具 有 精 度 高 和 使 用 寿 命 长 的 特 点,但 若 液 体 中 有 气泡 或 液 面 发 生 波 动，便 会 有 较 大 的 误 差。在 一 般 使 用 条 件 下,它 的 测 量误差为0.1%,检测物位的范围为10-2104 m。二、超声波流量传感器 超 声 波 流 量 传 感 器 的 测 定 原 理 是 多 样 的,如 传 播 速 度 变 化 法、波 速 移 动 法、多 卜 勒 效 应 法、流 动 听 声 法 等。但 目

13、前 应 用 较 广 的 主 要 是超声波传输时间差法。超 声 波 在 流 体 中 传 输 时,在 静 止 流 体 和 流 动 流 体 中 的 传 输 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。第16 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 如 果 在 流 体 中 设 置 两 个 超 声 波 传 感 器,它 们 可 以 发 射 超 声 波又 可 以 接 收 超 声 波,一 个 装 在 上 游,一 个 装 在 下 游,其 距 离 为L。如图10-5 所 示。如 设 顺 流 方 向 的 传 输

14、 时 间 为t1,逆 流 方 向 的 传 输 时 间 为t2,流体静止时的超声波传输速度为c,流体流动速度为v,则 t1=（10-8）t2=（10-9）一 般 来 说,流 体 的 流 速 远 小 于 超 声 波 在 流 体 中 的 传 播 速 度,那么超声波传播时间差为第17 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二第18 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 t=t2-t1=（10-10）由于c v,从上式便可得到流体的流速,即 v=（10-11）在 实 际 应 用 中,超 声 波 传 感 器 安 装 在 管 道 的 外 部,从 管 道 的 外 面透 过 管 壁 发 射 和 接 收

15、超 声 波 不 会 给 管 路 内 流 动 的 流 体 带 来 影 响,如图10-6 所示。第19 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二第20 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二 超 声 波 流 量 传 感 器 具 有 不 阻 碍 流 体 流 动 的 特 点,可 测 流 体 种 类 很多,不 论 是 非 导 电 的 流 体、高 粘 度 的 流 体、浆 状 流 体,只 要 能 传 输 超声 波 的 流 体 都 可 以 进 行 测 量。超 声 波 流 量 计 可 用 来 对 自 来 水、工 业 用 水、农 业 用 水 等 进 行 测 量。还 可 用 于 下 水 道、农 业 灌 溉、河流等流速的测量。第21 页，共21 页，编辑于2022 年，星期二