波式传感器(讲-简版)(1).ppt

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1、《传感器原理》64学时第10章波式传感器3学时北京化工大学信息科学与技术学院测控系1第10章波式传感器传感器原理64第一节超声波传感器1.1超声波及其物理性质1.2超声波传感器1.3超声波传感器应用第二节微波传感器1.1微波概述1.2微波传感器的原理和组成1.3微波传感器的应用波式2声波的频率界限图101102103104105106107f(Hz)10810910101011波式传感器超声波传感器微波传感器振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。见下图。其频率在次声波声波音乐语言超声波探测20×1060.25×106微波次声波低于16Hz的机械波，称为次声波

2、声波16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波超声波高于2×104~3×108Hz的机械波，称为超声波微波频率在3×108~3×1011Hz之间的波，称为微波3第一节超声波传感器1.1超声波及其物理性质1.2超声波传感器1.3超声波传感器应用41.1超声波及其物理性质当超声波由一种介质入传播到到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在两种介质的界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。人耳能听到的声音（即可闻声波）频率约为十几赫兹至一万余赫兹高于二万赫兹频率（2×104Hz）的机械波称为超声波超声波传感器检测所用的超声波频率通常在几十万赫兹以

3、上，这时它波长较短有很好的方向性易于形成波束，它在介质传播时，与光波相似声波的频率界限图101102103104105106107f(Hz)10810910101011次声波声波音乐语言超声波探测20×1060.25×106微波51.1.1超声波的波型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：质点振动方向与波的传播方向一致的波它能在固体、液体和气体介质中传播质点振动方向与传播方向垂直的波它能在固体介质中传播质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波表面波只在固体的表面传播纵波横波表面波

4、61.1.2超声波的反射和折射如下图所示。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超声波的反射和折射αα’介质1入射波反射波O介质2一部分声波被反射，这种情况称之为声波的反射另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这种情况称之为声波的折射（透射）β折射波7由物理学知道当波在界面处产生折射时，入射角α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c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即声波的反射系数R式中：I0,Ir,It分别为入射波、反射波、透射（折射）波的声强α、β分别为声波的入射角和折射角ρ1c1、ρ2c2分别为两介质的声阻抗

5、，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度ρ1、ρ2介质1和介质2的密度声波的透射系数T超声波的反射和折射αα’β介质1入射波折射波反射波O介质28当超声波垂直入射界面，反射角、折射角为零即α=β=0时，则由上述各式可知●若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1此时声波几乎没有反射，全部从第一种介质透射入第二种介质声波的反射系数R声波的透射系数T超声波的反射和折射介质1入射波折射波反射波O介质2●若ρ2c2>>ρ1c1，反射系数R≈1，透射系数T≈0则声波在界面上几乎全反射，透射极少9当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则由上述各式可知如：水在

6、20℃温度时，水的特性阻抗为ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s)，空气的特性阻抗为ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s)，ρ1c1>>ρ2c2，故超声波从水介质中传播至水气界面时（或超声波从空气介质中传播至水气界面时），将发生全反射。声波的反射系数R声波的透射系数T●若ρ1c1>>ρ2c2时，反射系数R≈1，透射系数T≈0声波在界面上几乎全反射，透射极少超声波的反射和折射介质1入射波折射波反射波O介质2超声波传感器就是用超声波的全反射原理完成测量工作的101.1.3超声波的衰减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

7、程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压Px和声强Ix的衰减规律为：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α衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）P0、I0声源的声压和声强声压Px声强Ix11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。声波的扩散在理想介质中，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。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的物

8、理性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，