第9章_超声波传感器及应用

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1、第9章超声波传感器及应用8/17/20211主要章节9.1超声波及其物理性质9.2超声波探头及耦合技术9.3超声波传感器的应用8/17/20212声波频率的界限划分9.1超声波及其物理性质9.1.1超声波的基本概念8/17/20213声波的分类1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。8/17/202142.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。8/17/202153.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。8/17/20216超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点

2、。超声波雾化器超声波加湿器8/17/20217声波的波型（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的波。（2）横波—质点振动方向垂直于传播方向的波。（3）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，多采用纵波。8/17/20218纵波8/17/20219横波8/17/202110表面波8/17/2021112.声速、波长与指向性（1）声速纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘

3、积，即Z=ρc8/17/202112常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)声阻抗Z（103MPa·s-1）纵波声速cL（km/s）横波声速cs（km/s）钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空气0.00130.00040.34—8/17/202113（2）波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即λf=c8/17/202114（3）指向性超声波声源发出的超声

4、波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线8/17/202115指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为sinθ=1.22λ/D设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据上式可得θ=4°，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。8/17/2021163.超声波的反射和折射超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为

5、声波的反射和折射，8/17/202117波的反射和折射8/17/202118（1）反射定律入射角的正弦与反射角'的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角等于反射角'。（2）折射定律入射角的正弦与折射角的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比，即sin/sin=c1/c28/17/2021194.超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。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

6、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。8/17/2021209.2.1超声波探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，9.2超声波探头及耦合技术8/17/202121各种超声波探头常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。

7、保护膜接插件8/17/202122超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。8/17/2021231.单晶直探头用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用钨粉