第9章超声波传感器ppt课件.ppt

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1、第9章超声波传感器C9.1超声波及其性质19.2超声波发生法与振动因子的设计9.3超声波传感器的结构39.4超声波传感器的基本电路4259.5超声波传感器的应用概述超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。◆我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。9.1超声波及其性质9.1.1超声波的频率范围人听到响声是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。◆音的高

2、低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围为16Hz—20KHz，但此频率范围的界限与音的强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。9.1超声波及其性质◆超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为超声波（Ultrasonicwave）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频率降至10KHz，但有时也可能将频率升到1000MHz。图9-1人耳感音频率范围9.1超声波及其性质9.1.2超声波的种类◆超声波的发射方式不同分为五类图（a）纵波，

3、介质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强力超声波的运用。图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径较小的棒中传输。9.1超声波及其性质图(c)为横波，介质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常用于超声波探勘计等的计测。图(d)为表面波图(e)为弯曲波，在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。9.1超声波及其性质9.1.3超声波的波速与波长◆超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系：C=f×λ◆超声波在各种介质中的波速是不同的。9.1超声波及其性质9.1.4超声波的损失◆

4、随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失。◆超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减。◆频率愈低的超声波衰减愈小。9.1.5超声波的指向性9.1.5超声波的指向性如图9-5所示，使一个半径为R的圆板波源呈活塞状振动，发射出具有λ波长的超声波，则其指向角θ可以表示为sinθ=λ／R。例如从直径30mm的振动因子，对油中发射出1MHz的超声波，使得λ／R=10，于是其指向角θ=4°。可见，欲使超声波角度集中，可减小λ或增大R，但一般以减小λ居多。图9-5超声波的指向性9.1超声波及其性质9.1.6超声

5、波的反射、透射与折射◆当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。◆特性阻抗Z=介质密度ρ×音速C。9.1超声波及其性质由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。图9-6超声波的反射与透射假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，如图9-6，则音波的反射率γ可用下式表示：1、反射9.1超声波及其性质图9-7所示为在不同介质间设厚度为L的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率T1为：图9-7不同媒质间的反射与透射超声波射入交界面除了部

6、分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示：2、透射9.1超声波及其性质若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1＝Z2时，则T1可简化为：式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3，f为超声波的频率。9.1超声波及其性质由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），或厚度为超声波半波长的整数倍的板。若按此要领设计则穿透率T1变成：9.1超声波及其性质如图9-8，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为θi，折射角为θt，C1

7、为入射前的波速，C2为折射后的波速，其关系可以下式表示：图9-8超声波的折射3、折射9.1超声波及其性质9.1.7超声波的空洞现象◆在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，即空洞现象。9.1超声波及其性质在理想介质中，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。9.1.8超声波的衰减声波在介质中传播时,随着传播距离的增

8、加,能量逐渐衰减。能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。9.1超声波及其性质9.1.9超声波的干涉◆由不同波源发出的频率相同、振动方向