传感器原理及应用-第8章-超声波传感器ppt课件.ppt

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1、第八章超声波传感器超声波技术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。超声波的物理性质超声波在液体、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。超声波传感器的应用超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜、超声成像等。8.1超声波及其物理性质8.2超声波传感器8.3超声波传感器的应用第八章超声波传感器一、超声波的基

2、本概念§8.1超声波及其物理性质声波的频率界限图次声波：低于16Hz的机械波。次声波人耳听不到，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。二、超声波的分类§8.1超声波及其物理性质可闻声波：美妙的音乐可使人陶醉。超声波：蝙蝠能发出和听见超声波。二、超声波的分类§8.1超声波及其物理性质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。超声波雾化器根据声波在介质中施力方向与波在介质中传播方向，声波的波型主要分三类：三、超声波的波型§8.1超声波及其物理性质（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的

3、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。三、超声波的波型§8.1超声波及其物理性质表面波四、声速、波长与指向性§8.1超声波及其物理性质四、声速、波长与指向性§8.1超声波及其物理性质常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃）（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，且随着扩散角度的增大而减小。四、声速、波

4、长与指向性§8.1超声波及其物理性质1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。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。五、超声波的反射和折射§8.1超声波及其物理性质（1）反射定律当波速一致时（2）折射定律c1—入射声波速；c2—折射声波速入射波′界面介质1介质2反射波折射波超声

5、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延着原来传播方向运动，而形成散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，使超声波在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。六、超声波的衰减§8.1超声波及其物理性质8.1超声波及其物理性质8.2超

6、声波传感器8.3超声波传感器的应用第八章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头。一、超声波传感器原理§8.2超声波传感器定义分类压电式和磁致伸缩式，其中以压电式最为常用。材料压电晶体和压电陶瓷。电能机械能正压电效应逆压电效应超声波发生器将电磁能转换成机械能。结构分为两部分：一是产生高频电流或电压的电源；二是换能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。二、超声波发生器§8.2超声波传感器压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动

7、，而产生超声波，常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强压电效应换能器可产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应。压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的，它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。三、超声波接收器§8.2超声波传感器压电晶体测量电路超声波§8.2超声波传感器压电式超声波传感器结构§8.2超声波传感器常用频率范围：0.5-10MHz，常见晶片直径：5-30mm接触式直探头（纵波垂直入射

8、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。保