单元5：压电式传感器(超声波传感器)课件.ppt

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1、一、超声波及其基本特性频率：次声波、声波、超声波、微波1、超声波1).次声波次声波是频率低于16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。振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波23).超声波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食2).可闻声波其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波高于2×104Hz的机械波4)微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波2、超声波的波型和波速纵波：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

2、振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）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。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。气体中声速为344m/s,液体中声速在900~1900m/s。3、超声波的反射和折射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。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S

3、1—反射横波；S2—折射横波。为了测量各种状态下的物理量,应多采用纵波。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.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4、声波的衰减超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为P0、I0—声波在x=0处的声压和声强；P、I—声波在x处的声压和声强；—衰减系数。应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆的浓度等。总结：超声波的特点超声波是机械波的一种，它的特

4、征是频率高、波长短、绕射现象小。最明显的一个特征是方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，所以穿透能力很强，尤其在对不透明的固体中，超声波能穿透几十米的长度，碰到杂质或分界面就会有显著的反射。这些特性使得超声波检测广泛应用于工业、医学中。当超声波在一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射、波形转换等现象。利用超声波的物理特性和各种效应而研制的装置，又称为超声波换能器或探测器二超声波传感器超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、

5、空气传导探头等。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；正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。a）超声发射器b）超声接收器1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束空气超声探头图超声波传感器工作原理示意图空气超声探头外形常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm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。保护膜接插件接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）接触式斜探头（横波、

6、瑞利波或兰姆波探头）压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz接触法双晶直探头将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片三、超声波传感器应用1、超声波物位传感器超声波物位

7、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。图几种超声物位传感器的结构原理示意图超声波在液体中传播；超声波在空气中传播2、超声波测距空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测