超声波传感器

1、超声波传感器 姓名：陈坤 学号：1超声波传感器2主要内容超声波传感器应用与前景33总结与展望44超声波及其物理性质312超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在162104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波; 高于2104 Hz的机械波, 称为超声波。 如下图。 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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 声波频率界限图3超声波及其物理性质一、 超声波的波形及其转换 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。通常

2、有: 纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波; 横波质点振动方向垂直于传播方向的波; 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, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在9001900 m/s。 4超声波及其物理性质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。 二、 超声波的反射和折射 声波从

3、一种介质传播到另一种介质, 在两个介质的分界面上一部分声波被反射， 另一部分透射过界面, 在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射, 如下图所示。 5超声波及其物理性质超声波的反射和折射6超声波及其物理性质由物理学知, 当波在界面上产生反射时, 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时, 入射角的正弦与折射角的正弦之比, 等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比, 即 三、 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

4、 Px= P0e-x Ix= I0e-2x 7超声波及其物理性质式中: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/m（奈培/米）。 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。 8超声波传感器传感器工作原理 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可称为超声波换能器、 探测器或传感器。超声波探头按其

5、工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等, 而以压电式最为常用。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; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 9超声波传感器压电式超声波传感器10超声波传感器 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反

6、射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标，包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数

7、大，灵敏度高；反之，灵敏度低。11超声传感器的应用与前景 超声波传感器广泛应用在各个领域之中，下面我们简单说一下具体的应用。一、 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。根据发射和接收换能器的功能, 传感器又可分为单换能器和双换能器。 单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器, 而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。12超声传感器的应用与前景二、 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多

8、样的, 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。 超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 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。 三，超声波测距仪四，超声波探鱼仪 五，超声波探伤仪13总结与展望 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降