传感器原理及工程应用（第五版）超声波传感器

超声波传感器

10.1超声波及其物理性质10.2超声波传感器10.3超声波传感器的应用10.1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。其频率在16～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波，如图10-1所示。频率在3×108～3×1011Hz之间的波，称为微波。

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、折射和波型转换等现象。图10-1声波的频率界限图10.1.1超声波的波型及其传播速度

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：

①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；

②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；

③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，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传播。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为

式中：ρ——介质的密度；

Ba——绝对压缩系数。

上述的ρ、Ba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化。超声波在空气中的传播速度较慢,环境温度为20℃时,超声波的纵波传播速度约为344m/s(电磁波的传播速度为3×108m/s)。超声波在液体中的纵波传播(10-1)速度为900~1900m/s。在固体中,纵波、横波及表面波三者的声速有一定的关系,通常横波的声速为纵波声速的一半,表面波声速为横波声速的90%。

10.1.2超声波的反射和折射

声波从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，如图10-2所示。图10-2超声波的反射和折射由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′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α的正弦与折射角β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(10-2)

声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:

式中：I0、Ir、It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；

α、β——分别为声波的入射角和折射角；

ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。(10-3)(10-4)当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则(10-5)(10-6)由式(10-5)和式(10-6)可知，若ρ2c2≈ρ1c1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若ρ2c2>>ρ1c1，反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当ρ1c1>>ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。如：在20℃水温时，水的特性阻抗为ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s)，空气的特性阻抗为ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s)，ρ1c1>>ρ2c2

，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。10.1.3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

Px=P0e－αx

(10-7)

Ix=I0e－2αx

(10-8)

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；

α——衰减系数，单位为Np/cm(奈培/厘米)。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。

10.2超声波传感器

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传感器、换能器或探测器。

超声波发射器和接收器简称为超声波探头。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、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。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；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。图10-3压电式超声波传感器结构超声波探头结构如图10-3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δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是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。

10.3超声波传感器的应用

10.3.1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特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收探头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。根据发射和接收探头的功能，传感器又可分为单探头和双探头。单探头的传感器发射和接收超声波使用同一个探头，而双探头的传感器发射和接收各由一个探头担任。图10-4给出了几种超声波传感器测量液位原理示意图。超声波发射和接收探头可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图10-4(a)所示。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收探头也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图10-4(b)所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。图10-4超声波传感器测量液位原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播对于单探头来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到探头的时间为

则

式中：h——探头距液面的距离；

c——超声波在介质中传播的速度。(10-9)(10-10)对于如图10-4所示双探头，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而

因此液位高度为

式中：s——超声波从反射点到探头的距离；

a——两探头间距之半。(10-11)(10-12)从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的物位。

超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1%，检测物位的范围为10－2～104m。10.3.2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播速度变化法。

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。

如果在流体中设置两个超声波探头，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10-5所示。图10-5超声波测流量原理图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

超声波传播时间差为

(10-13)(10-14)(10-15)从上式便可得到流体的流速，由于c>>v，上式可写成

在实际应用中，超声波探头安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收超声波，而不会给管道内流动的流体带来影响，如图10-6所示。(10-16)

图10-6超声波探头安装位置此时超声波的传输时间将由下式确定：

超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高黏度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波，都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量，还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。(10-17)(10-18)10.3.3超声波无损探伤

利用超声波可以探测金属内部的缺陷，这是一种非破坏性的检测。当材料内部有缺陷时，材料内部的不连续性造成超声波传输的障碍，超声波通过这种障碍时只能透射一部分声