第七章 超声波传感器

1、第七章 超声波传感器主讲人：陈寅时间：3/28/2022导入汽车倒车雷达导入汽车倒车雷达工作原理图目录目录 content0101超声波的物理性质0202超声波传感器的材料及结构0303超声波传感器的应用超声波的物理性质011.1 声波的分类 次声波是频率低于20赫兹的声波，次声波的特点是波长大、传播远、穿透力强。人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz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。 1）次声波1.1 声波的分类可闻声波其频率在20Hz20kHz之间，能为人耳所闻的机械波。 2）可闻声波美妙的音乐，可以使人心情愉悦。1.1 声波的分类超声波是指高于20kHz的

2、机械 波 。 （ 其 中 频 率 在310831011 Hz之间的波又称为微波）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。 3）超声波图10-1 声波的频率界限图 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反射、折射折射和波型转换等现象。 101102103104105106107f / Hz微波探测超声波语言音乐声波次声波0.25106201061.1 声波的分类1.2 超声波的波形 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。通常有： 纵波纵波：质点振动方向与波的传播方向一致一致的波，它能在固体、液体固体、

3、液体和气体和气体介质中传播； 横波横波：质点振动方向垂直垂直于传播方向的波，它只能在固体固体介质中传播； 表面波表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，在固体表面的平衡位置作椭圆轨迹沿着固体的表面表面向前传播的波，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面固体的表面传播。 1.2 超声波的波形动态演示：1.3 声速、波长及指向性 1）声速）声速 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c c为 式中：介质的密度； Bn绝对压缩系数。 上述的 、 Bn都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变

4、化。 n nB B1 1c c1.3 声速、波长及指向性 另外，声阻抗Z Z是描述介质传播声波特性的一个物理量，介质的声阻抗为介质密度与声速C C的乘积，即ZC 在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有着一定的关系。通常横波的声波约为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90。1.3 声速、波长及指向性2 2）波长）波长超声波的波长与频率f的乘积等于声速C Cf 3 3）指向性）指向性超声波声源发出的超声波束是以一定的角度向外扩散的。如右图所示。在声源的中心轴线上声强最大，随着扩散角度的增大声强逐步减小。半扩散角、声源直径D以及波长之间的关系为： sinsin1.22 /1.22 /DD 1

5、.4 超声波的反射与折射1 1）反射定律）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形相同，波速相等时，反射角等于入射角。2 2）折射定律）折射定律入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波中介质的波速C1与折射波中介质的波速C2之比，即2 21 1C CC Cs si in ns si in na a1.4 超声波的反射与折射3 3）反射系数）反射系数反射声强Ir与入射声强Ii之比，称为反射系数r，即 r=irII=21212)coscoscoscos(ZaZZaZ当超声波垂直入射时，00，上式可简化为 r=21212ZZZZ 由上式可知，当两种介质的声阻抗相差越

6、悬殊，反射系数越接近于当两种介质的声阻抗相差越悬殊，反射系数越接近于1 1，即反射能力就越即反射能力就越强强, ,折射能力相对越弱折射能力相对越弱。 4 4）折射折射系数系数折射声强Ip与入射声强Ii之比称为折射系数p，p=1-r 1.5 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，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 axxaxxeIIePP200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； 衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。 1.5 超声波的衰减 扩散扩散衰减是指随声波传播距离增加而引起声能的减弱。在理

7、想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。 散射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沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。 吸收吸收衰减是由于介质粘滞性，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。 超声波传感器的材料及结构022.1 超声波传感器的材料 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头探头。 超声波探头按其工作原理可分为压电式压电

8、式、磁致伸缩式磁致伸缩式、电磁式电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。 它是利用压电材料的压电效应压电效应来工作的。2.1 超声波传感器的材料 压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波发送器超声波发送器是利用逆向逆向压电效应制成，即在压电元件上施加电压，元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。 超声波接收器超声波接收器是利用正向正向压电效应制成，即接收到的超声波促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声波频率相同的高频电压。2.2 超

9、声波传感器的结构超声波探头类型超声波传感器根据探头的结构不同，可以分为：a)直探头、b)斜探头、c)双探头、d)水浸探头、这些探头适用于以液体、固体液体、固体为传导介质。1 1）液体）液体、固体超声波探头固体超声波探头2.2 超声波传感器的结构 直探头结构如图所示，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。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼阻尼块块的作用：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。 金属壳吸收块保护膜接

10、线片压电晶片导电螺杆超声波探头结构图2.2 超声波传感器的结构 空气超声探头的发射和接收装置是分开设置的，两者结构也略有不同。右图为空气传导的超声波发射器和接收器的结构示意图。图中的共振盘，阻抗匹配共振盘，阻抗匹配器器是为了提是为了提高超声波的发射与接收高超声波的发射与接收效率而设计的。效率而设计的。 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 2 2）空气超声波探头）空气超声波探头2.2 超声波传感器的结构3 3）实物图）实物图2.2 超声波传感器的结构空气超声波探头超声波传感器的应用03hh2a2ahhss(a)(b)

11、3.1 超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射反射特性而制成的。根据发射和接收换能器的功能，又可分为单换能器和双换能器。(a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播3.1 超声波物位传感器 1）单换能器 对于单换能器来说，对应左边两幅图，超声波从发射器到液面， 又从液面反射到换能器的时间为 cht2则 式中： h换能器距液面的距离； c超声波在介质中传播的速度。 2cth3.1 超声波物位传感器 2）双换能器 图中右边两幅图所示双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而 2cts 因此液位高度为 22ash式中：s超声波从反射点到换能器的距离

12、； a两换能器间距之半。 3.1 超声波物位传感器测料位3.2 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波超声波传播时间差法传播时间差法。 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积， 便可知道流体的流量。 3.2 超声波流量传感器 如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 如图所示。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则 vcLtvcLt213.2 超声波