1、第10章 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 超声波传感器应用,超声波传感器-利用超声波的定向反射和折射等特性,实现物理参数的测量.,10.1 超声波及其物理性质,10.1 声波知识,振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。,其频率在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, 如图10-1所示。频率在310831011 Hz之间的波，称为微波。,2、 超声波在液体、固体中衰减很小，所以穿透本领大。对于光不透明的固体，而超声波却可穿透几十米，碰到杂质和界面有显著的反
2、射。,超声波的特性：,1、 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。超声波频率越高越接近光波的这类特性，如符合反射定律、折射定律。,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： 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； 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； 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
3、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：介质的密度；Ba绝对压缩系数。 上述的、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，表10-1为蒸馏水在0100时声速随温度变化的数值。,（10-1）,表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化,从表10-1可见，蒸馏水温度在0100范围内，声速随温度的变化而变化，在74时达到最大值，大于74后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。,在固体中，横波及其表面波三者的声速有一定的关系：C纵波=2C横波、C表面波=C横波90%。 气体中纵波声速为3
4、44 m/s，液体中纵波声速在9001900m/s。,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：,c1和c2分别为反射波和折射波的速度。,(10-4),式中：I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的声强；、分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2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),声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:,
5、当超声波垂直入射界面，即= 0 时，则,(10-6),(10-5),由式（10-5）和式（10-6）可知：,若2c21c1 （性质相差很大的介质）, 反射系数R1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当1c1 2c2时，反射系数R1，声波在界面上几乎全反射。,若2c21c1（性质相同的介质） ，则反射系数R0，透射系数T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；,如：在20水温时，水的特性阻抗为1c1 =1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为2c2 =0.000 429106 kg/(m2s), 可知1c1 2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生
6、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,（10-7）,（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； 衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。,10.2 超声波传感器,超声波传感器又可称为超声波换能器、探测器。 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：它是利用压电材料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
7、号，可作为接收探头。,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。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。,图10-3 压电式超声波传感器结构,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，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以
8、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使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,图10-4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 几种
9、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,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,（10-9）,（10-10）,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。 ,对于如图10-4所示双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而,（10-11）,因此液位高度为,（10-12）,式中：s超声波从反射点到换能器的距离； a两换能器间距之半。,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
10、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1cm10km。,10.3.2 超声波流量传感器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。,图10-5 超声波测流量原理图,如图10-5所示，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,（10-13）,（10-14）,因此超声波传播时
11、间差为,（10-15）,一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，即：cv, 从上式便可得到流体的流速， 即,（10-16）,图10-6 超声波传感器安装位置,在实际应用中，为安装及维护方便和不影响流体的流动，超声波传感器往往安装在管道的外部，如图10-6所示。,此时超声波的传输时间将由下式确定：,（10-17）,（10-18）,最终得：,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、 高粘度的流体，还是浆状流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 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
12、等流速的测量。,作业：请参考教材P172页图10-6，已知= 450，c=1500m/s， D=50cm，并通过电路测得超声波的传播时间差为20m。试求管道内液体的流速v (计算时，cv )。,10.3.3 超声波传感器在医学上的应用,B超成像原理：向人体某部位发射一组超声波，按一定方向进行扫描，根据监测其回波的延迟时间和强弱就可以判断器官的距离和性质。电路和计算机处理形成一幅模拟二维黑白图像，即二维黑白B超图像。 B超的关键部件之一就是超声波探头，可配多种功能探头，如：心脏、腹部、食道等。,彩色B超原理：其实并不是看到了人体组织的真正颜色，而是在黑白B超图像的基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩色而形成的，即：计算机在获得内脏中流动液体的方向及流速的大小和特质后，利用围剿彩色技术加以描述，并叠加在二维黑白B超图像上，就形成了我们所见到的彩超图像。,B超领域新技术： 1、超声内窥镜：结合内窥技术，近距离检查内脏。 2、超声CT：通过移动超声焦点，对局部脏器进行放大。 3、三维超声：进行体积扫描，形成三维图像 4、手提式彩色B超：小型化。,10.3.4 超声波探伤（纵波探伤法）,英国已开发出列车在行进中的探伤仪器。,10.3.5 触摸屛（表面声波触摸屛）工作原理（介绍略）,见纸教案,
