超声波传感器课件

8.2超声波传感器8.2.1超声波物理基础

1.声波的分类声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16Hz的机械波超声波：高于2×104Hz的机械波微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波8.2超声波传感器8.2超声波传感器2.超声波的波型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。8.2超声波传感器8.2超声波传感器3.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为8.2超声波传感器8.2超声波传感器

在气体中，传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为

（m/s）

式中t——环境温度

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对于固体，其传播速度c为式中E——固体的弹性模量；

μ——泊松系数比。8.2超声波传感器8.2超声波传感器4.超声波的反射和折射图8.6超声波的反射和折射

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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8.2超声波传感器8.2超声波传感器5.声波在介质中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）。8.2超声波传感器8.2超声波传感器8.2.2超声波传感器

1.超声波传感器的含义超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置，习惯上又称为超声波换能器或超声波探头，它是利用超声波产生、传播及接收的物理特性工作的。8.2超声波传感器8.2超声波传感器2.超声波传感器的类型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，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。8.2超声波传感器8.2超声波传感器

超声波探头结构如图8-7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：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。8.2超声波传感器8.2超声波传感器图8-7压电式超声波传感器结构8.2超声波传感器8.2超声波传感器8.2.3超声波传感器的应用

1.超声波探伤超声波探伤是利用超生波在物理介质(如被检测材料或结构)中传播时，通过被检测材料或结构内部存在的缺陷处，超声波会产生折射、反射、散射或剧烈衰减等，通过分析这些特性，就可以建立缺陷与超声波的强度、相位、频率、传播时间、衰减特性等之间的相互关系，由于超声波的传播特性与被检测材料或结构有着密切的关系，因此通常需要根据被检测对象选择相应的超声检测方法。8.2超声波传感器8.2超声波传感器

（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。8.2超声波传感器8.2超声波传感器

图8-8给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图8-8（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。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图8-8（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。

8.2超声波传感器8.2超声波传感器图8-8几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播8.2超声波传感器8.2超声波传感器

对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为则式中：h——换能器距液面的距离；

c——超声波在介质中传播的速度。8.2超声波传感器8.2超声波传感器

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