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【超声波塑料焊机的原理与维护】一文了解超声波与传感器的工作原理

作者:安尼      发布时间:2021-04-14      浏览量:0
1.超声波介绍我们将频率高于20KHz的

1.超声波介绍

我们将频率高于20KHz的声波称为超声波,超声波具有良好的方向性和穿透能力,特别是在水中,传播距离更远。军事、农业和生活都有广泛的应用,可用于测速、测距、消毒杀菌、清洗、焊接等。

人耳可以听到的超声波频率范围大约是20Hz-20KHz,因为超声波频率大于人类听觉上限,所以被称为超声波。

超声波和普通声波一样,也具有反射、折射、衍射、散射等特点,但超声波波长短,有几厘米,最低可达千分之几毫米。波长越短,声波的衍射特性越差,可以在介质中稳定直线传播,因此波长短的超声波具有较强的直线传播能力。众所周知,当声音传播到空气中时,它会推动空气中的颗粒振动工作,而声波功率的大小表明声波工作速度慢,在同一环境下,声波的频率越高,功率就越大。超声波的频率大于20KHz,因此超声波的功率很高。

超声波主要有两个参数:

频率:F≥20000Hz(通常将F≥15000Hz的声波也称为超声波)

功率密度:p=发射功率(W)/发射面积(cm2)

超声波具有

(1)超声波具有在气体、液体、固体等媒体中有效传播的能力。

(2)超声波具有很强的传递能力。

(3)超声波具有反射特性,干涉、重叠和共振。

(4)超声波在液体介质中传播时,界面可以产生空化现象和强烈冲击。

2.超声波用途

超声波在生活中的许多方面都有应用,主要有

1)医学方面

医学方面,超声波主要应用于医学诊断和临床治疗。在医学诊断中,超声波的主要应用是——巴B超。由于超声波具有反射、折射等特点,将超声波发射到人体内部,人体内部的器官形状大小不同,反射回来的声波方向、强度等信息也不同,医生通过分析反射回来的声波,结合医学方面的专业知识,可以知道人体内部的部分是否发生病变。

在临床治疗中,超声波主要用于杀死肿瘤细胞和超声波针灸,我们知道超声波的功率很大,利用医学影像技术,将多束超声波集中在病变细胞上,控制照射的强度和时间,短时间的温度达到70~100℃,在保护周围组织的同时杀死病变细胞。

超声波针灸利用超声波技术刺激穴位,该疗法对组织无损伤,具有无痛、无不适应等优点,对儿童和害怕针灸的患者有良好的效果。另外,超声波在体外碎石、理疗、牙科等方面也经常使用。

2)超声波清洗

超声波清洗主要基于空化作用,空化作用总体上在有压力和无压力作用的情况下,每秒发生数万次这样的变化,超声波在液体内部不断发挥透射作用,在没有压力作用的情况下,在液体内部出现真空核泡组,在有压力作用的情况下,真空核泡组在压力作用下产生强烈的冲击力表面凹凸不平的部件和难以清洗的部件,如钟表、电子部件、电路板等可以得到良好的清洗效果。另外,随着超声波频率的提高,空化作用的效果减弱,超声波清扫的效果好,但不会损伤设备的表面。

3)超声波测量距离

超声波波长比较短,方向性和渗透能力好,能耗慢,介质传播距离远。此外,超声波测量距离的原理简单,操作简单,计算简单,测量精度也能满足要求,因此广泛应用于移动机器人和导盲系统。

3超声波传感器

1)超声波传感器介绍

超声波传感器是根据超声波的一些特性制造的,完成超声波的发射和接收,内部的换能晶片受到电压的激励振动产生超声波,超声波的频率高,波长短,方向性好,可以线性传播,对液体和固体有良好的渗透效果,例如不透明的物体

想用超声波完成检查作业,必须有能够发出超声波和接收超声波的装置,能够实现这种功能的装置称为超声波传感器,也称为超声波换能器和超声波探头。

超声波传感器内部的主要部件是压电晶片,受电压刺激时可以发射超声波,接收方可以接收。小功率超声波传感器多用于检测,如导盲、坐姿矫正产品,应用小功率传感器,大功率超声波传感器在生活中不常见。超声波传感器有很多不同的结构,分为直接探头、斜接头、表面波接头、兰姆波接头、双接头(一个用于发射、一个用于接收)等。

2)超声波传感器的工作原理

超声波传感器主要由发送部、接收部、控制部和电源部组成。

其中,发送部分由发送器和换能器构成,换能器可以将压电晶片受电压激励振动时产生的能量转换为超声波,发送器发送超声波的

接收部分由换能器和放大电路构成,换能器接收反射回来的超声波,接收超声波时产生机械振动,换能器将机械能转换为电能,放大电路扩大产生的电信号这样,在电源的作用下,在控制部分的控制下,发送器可以与接收器合作,完成传感器所需的功能。

3)超声波发生器

为了方便超声波的研究和利用,设计了多种超声波发生器,各种发生器中超声波的发生方式不同,有电气方式也有机械方式,用途也不同。每个发生器都有自己的应用范围,但目前普遍使用的是压电式超声波发生器。

电压式超声波发生器的关键部分是内部的电压晶片,主要是利用电压晶片的谐振工作,发生器内部有两个电压晶片和一个共振板。

在发生器的两个电极之间添加脉冲信号,当添加信号的频率与压力晶片的频率相等时,压力晶片会振动,同时也会带动共振板振动,这时会产生超声波,这就是超声波发生器的发送端,但是如果发生器的两个电极之间没有添加脉冲信号,共振板又接收发射的超声波,压力晶片就会振动,发生的机会变成电信号

4)超声波测量距离原理

超声波测量距离原理非常简单,超声波发射端发射超声波,发射的同时,计时开始,发射的超声波在介质中传播,声波具有反射特性,遇到障碍物时反射,超声波接收端接收反射的超声波时,计时停止。介质为空气时,速度为340m/s,根据记录时间t,利用公式(2.1)计算发射位置和障碍物之间的距离。

这就是所谓的时间差测量法。

超声波测量距离的原理是超声波在介质中的传播速度,从发射到接收所需的时间,根据测量的时间计算障碍物的距离。因此,超声波测量距离的原理与回声定位相同。

距离测量的公式如式(2.2)所示:

中L为测量距离长度c为超声波在介质中的传播速度tt为测量传播时间的一半。

由于超声波波长较短,方向性和渗透性好,作为测量时精度高,但仍有使超声波测量距离产生误差的因素。

5)超声波测量距离误差分析

由超声波测量距离的公式可知,测量距离时产生误差的原因主要是超声波在介质中的传播速度和测量距离时超声波传播所需的时间。

假设要求测距时误差小于1mm,我们知道超声波在空气中的传播速度C=344m/s(20℃室温),忽略了超声波的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344)≈0.00002907s是指2.907μs。因此,只要测量距离时的时间误差精度微妙,测量误差就可以小于1mm。

超声波的传播速度与介质的密度有关,密度越高超声波的传播速度也越快,介质为空气时,空气的密度与温度有关,因此超声波的传播速度受温度的影响。

超声波传播速度与温度的关系如下:

式中:r-气体定压热容量与定压热容量的比例,空气为1.40,

R-气体普遍,8.314kgmol-1.K-1,

M-气体分子量,空气为28.8×10-3kgmol-1,

T-绝对温度,273KT℃。

近似公式为

公式:表示零0℃时声波传播速度的tt表示实际温度。

另外,利用超声波测量距离时考虑环境因素,其中最重要的是温度的影响,0℃和30℃时超声波速度明显不同。因此,在进行高精度测量时,应考虑温度变化的影响。