《超声波传感器》课件

《《超声波传感器》课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第10章超声波传感器10.1超声波及其物理性质10.2超声波传感器10.3超声波传感器应用10.1超声波及其物理性质10.1超声波及其物理性质波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。频率：次声波、声波、超声波、微波次声波：低于16Hz的机械波；声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：高于2×104Hz的机械波；微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波；10.1.1超声波的波型及其传播速度纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气）横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅

2、随深度增加而迅速衰减。（固体表面）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，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为E—杨氏模量；—泊松比；G—剪切弹性模量。在气体和液体中，由于不存在剪切应力仅有纵波的传播，其传播速度c为ρ——介质的密度；Bn——绝对压缩系数。纵波横波表面波超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小

3、。此外，水质、压强等也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为900～1900m/s。表10-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化表10-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化10.1.2超声波的反射和折射当波速一致时入射波′界面介质1介质2反射波折射波（2）折射定律c1—入射声波速,c2—折射声波速（1）反射定律I0,Ir,It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗。声波的反射系

4、数和透射系数可分别由如下两式求得:当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若ρ2c2>>ρ1c1,R≈1，则声波几乎全反射，透射极少。当ρ1c1>>ρ2c2，R≈1，声波几乎全反射。在20℃水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。L1界面介质1介质22L1L2S1S2L—入射纵波；L1—反射纵波；L2—折射纵波S1—反射横波；S2—折射横波。(3)波型转换当声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、折射以外，还会发生横波的反射和折射如果第二介质为液

5、体或气体，则仅有纵波，而不会产生横波和表面波。（1）纵波全反射：折射波中便只有横波存在（2）横波全反射：介质的分界面上只传播表面波。10.1.3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。其声压和声强的衰减规律为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）。声波衰减原因：扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在

6、介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。10.2超声波传感器能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点：精度高，被测物体不受影响，使用寿命长结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，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；而正压电效应是将超声振动

7、波转换成电信号，可作为接收探头。图10-3压电式超声波传感器结构它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率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。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。压电式磁致伸缩式磁致伸缩式超声波传感器:利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料