传感器技术与应用第九章ppt课件.ppt

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1、第9章波式传感器2021/7/271引言超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从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，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。2021/7/2729.1超声波及其物理性质

2、1．超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强9.1.1超声波的基本概念2021/7/273声波频率的界限划分2021/7/274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

3、心脏停止跳动。2021/7/2752.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。2021/7/2763.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。2021/7/277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。超声波雾化器超声波加湿器2021/7/278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。2021/

4、7/279纵波2021/7/2710横波2021/7/2711表面波2021/7/27122.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的乘积，即Z=ρc2021/7/2713常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃）2021/7/2714（2）波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即λf=c2021/7/2715（3）指向性超声波声源发出的超声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

5、的增大而减小。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线2021/7/2716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，则根据式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。2021/7/27173.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声波的反射和折射，2021/7/2718波的

6、反射和折射2021/7/2719（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/c22021/7/27204.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。超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，在理想介质中，声波的衰

7、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。2021/7/27219.2微波传感器微波传感器的基本原理是根据微波的传播特性（反射、透射、散射、干涉等）以及被测材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切)，通过对微波基本参数的测量，实现对物理量的感知。因此在学习微波传感器之前，先对微波的相关知识作一个简单的介绍，以更好地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理量。2021/7/27229.

8、2.1微波的性质与特点1、微波频段的划分微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性；当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。2021/7/27232021/7/27249.2.1微波的性质与特点2、微波的传播特