超声波传感器.ppt

9.1 超声波及其性质
图(c)为横波（Transverse Wave）又称剪 断波（Shear Wave，S波）介质粒子的 振动与垂直波的进行方向一致，常用于
超声波探勘计等的计测。 图(d)为表面波（Surface Wave）又称 Rayleigh 。 图（e）为弯曲波（Flexural Wave， Bending Wave），在沿波进行方向的 中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的 粒子进行压缩、伸张运动。
9.1 超声波及其性质
9.1.3超声波的波速与波长
◆超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系： C = f×λ
◆表9-1为超声波在各种介质中的波速，图9-3所示为 超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关 系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。
9.1 超声波及其性质
介质
铝 钢 镍 镁 铜 黄铜 铅 水银 玻璃 聚乙烯 电木 水 变压器油 空气
2.65
Rochelle盐 45°× 纵 300 1.77
ADP 45°× 纵 15.5 1.80
285 0.05 9.5 160 0.09 65 160 0.177 28
9.2.2 电伸缩式振动因子
9.2.2电伸缩式振动因子 ◆电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意 形状、尺寸的振动因子，图9-11所示为6种电伸缩式 材料常用烧结的形状。
9.1.2超声波的种类
◆超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可
分
为五类，如图所示，图（a）的纵波
（Longitudinal Wave）又称压缩波
（Compression Wave），介质粒子的振
动与波的进行方向一致，专供强力超
声波的运用。
图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，波速 慢了许多，主要是因为此类纵波是在 直径较小的棒中传输。
9.2.3 磁伸缩式振动因子
9.2.3磁伸缩式振动 ◆因子将镍等强磁性体做成棒状，置于磁场中磁化，
其长度会沿磁化方向发生变化，此即磁伸缩现象。 磁伸缩现象依金属材质的不同，较常用的材质有 镍、alufer合金（AF 合金、AL12％、Fe88％）、fe rrite烧结金属，其磁伸缩率各不相同，图9-12所示 为各种形状的磁伸缩式振动因子，表9-6为其材料 特性。
图9-9 空洞的发生
9.1 超声波及其性质
9.1.8 ◆声波在介质中传播时, 随着传播距离的增加, 能
量逐渐衰减。
Px P0e x I x I0e2 x
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/m（奈培/米）。
9.1 超声波及其性质
×104 cm/s，在水中为1.4×105 cm/s，铝中为 6.
22×10 5cm/sec，如果发射一个超声波的频率为
40KHz，则可利用C = f×λ求出，超声波在空
气中，水中及铝中的波长λ为：
●空气中：
3.4 104 4 104
0.86cm
●水中： ●铝中：
1.4 105 4 104
3.5cm
9.1 超声波及其性质
9.1.1 超声波的频率范围
人听到响声是由于乐器的振动，经过周围 的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经 感受到响声。 ◆音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决 于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围 为16Hz—20KHz，但此频率范围的界限与音的 强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音 范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。
9.1 超声波及其性质
◆图9-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形， 读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈 小。
图9-4 超声波的衰减
9.1.5 超声波的指向性
9.1.5 超声波的指向性
如图9-5所示，使一个半径为R的圆 板波源呈活塞状振动，发射出具有
λ波长的超声波，则其指向角θ可以 表示为sinθ=λ／R。
率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射
外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率
T可以用下式表示：
2
T
1
2
1
Z2 Z2
Z1 Z1
4Z1Z2 Z2 Z1
2
9.1 超声波及其性质
◆书中表9-2所示为各种介质的反射率。图9-7 所示为在不同
介质间设厚度为L的其它介质，传播超声波时，若将遮断
超声波，此时的透射率T1 为：
图9-11 电伸缩振动子的振动形态
9.2.2 电伸缩式振动因子
◆在电伸缩材料的两电极间加入直流高电压并使得 正负变化，此时材料尺寸会有伸缩现象，因此会压 缩空气，形成振荡，传送出振动信号。电伸缩式超 声波信号送出的形式和材料的形状有关，如图9-11 所示，其形状不同，所产生的信号振动方式也不同。
◆经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛 酸铅两种。书中表9-5为材料特性及一般用途。
9.1 超声波及其性质
◆超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20K Hz以上的音波称为超声波（Ultrasonic wave）。但是 听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合 使用，也将频 率降至10KHz， 但有时也可能 将频率升到 1000MHz。
图9-1 人耳感音频率范围
9.1 超声波及其性质
40 7×10-6
20—30
8.9 4800 -40×10-6 10—15
良
机械强度（kg/cm3）
* 2×10-6
Alufer Fe 87%，Al 13%
合金 190 91×10-6
Ferrite Ni—Cu系Ferri
te 20
6.22 105 4 104
15.55cm
9.1 超声波及其性质
9.1.4超声波的损失 ◆理想情况下，超声波发射出去后，会一边扩大，一
边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超 声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。 ◆不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减 弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会扩大， 从而造成扩散损失，另外一方面，超声波会被传播 介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般 称为吸收损失，也称衰减。
9.2.3 磁伸缩式振动因子
图9-12 各种形态的磁伸缩
9.2.3 磁伸缩式振动因子
表9-6 磁伸缩材料的特性比较
名称
成分
导磁系数 固有电阻（Ω∙cm） 电气机械结合系数
（%） 密谋（g/cm3） 波速（m/sec） 静磁伸缩饱和应变 最适偏移磁场（Oer） 耐蚀性（海水中）
纯镍
Ni 98%以上
纵波速度 ×105cm/sec
6.22 5.81 5.6 4.33 4.62 4.43 2.13 1.46 4.9~5.9 2.67 2.59 1.43 1.39 0.331
密度 ρg/cm3
2.65 7.8 8.9 1.74 8.93 8.5 11.4 13.6 2.5~5.9 1.1 1.4 1.00 0.92 0.0012
第9章 超声波传感器
1 9.1 超声波及其性质 2 9.2 超声波发生法与振动因子的设计 3 9.3 超声波传感器的结构 4 9.4 超声波传感器的基本电路 5 9.5 超声波传感器的应用
概述
超声技术是一门以物理、电子、机械及材 料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术 之一。 ◆我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃， 目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机 械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊 接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。
液体 气体，液体 气体，液体
9.2.1 压电式振动因子
9.2.1压电式振动 ◆因子压电式超声波是利用压电晶体，加入电压后，
产生的自由振荡信号。所使用的振动因子材料有 三种，分别是水晶、Rochelle盐及ADP（Am-moni um Dihydrogen Phosphate），图9-10所示为这三类 材料的结晶形态。
9.2 超声波发生法与振动因子的设计
目前较常用的超声波发生法大致如下表所示，
表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节将对电
气驱动式超声波做详细介绍。电气驱动式超声波依
驱动原理 可分为压电式、 电伸缩式、磁伸
缩式等三种。
驱动方法 驱动原理
压电式
电气式 电伸缩式
磁伸缩式
机械式
Pohlman 笛
Galton笛
速，其关系可以下式表示：sini C2
sint C1
图9-8 超声波的折射
9.1 超声波及其性质
9.1.7超声波的空洞现象
◆在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体 中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，即 空洞现象。图9-9所示为空洞的发生示意图。此类现象 具有氧化、搅拌、 破坏等各种作 用，所以有时 超声波也常常 用来做氧化、 还原反应及洗净等工作。
Siren
振动子
水晶 Rochelle盐
ADP
钛酸钡 锆酸钛酸铅
镍 AF合金 Ferrite
ห้องสมุดไป่ตู้
发生周期数K Hz
20—30000 0.2—1000 0.2—1000
介质
气体，液体， 固体
液体，固体 液体，固体
10—10000 液体，固体
10-100
气体，液体， 固体
5—50 2—100 0.2—250
9.1 超声波及其性质
9.1.9超声波的干涉 ◆如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干
涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、 相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些 点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种 现象称为干涉现象。 ◆两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时 叠加而成的波称为驻波。每相距λ/2的这些点上，介质 保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质 位移最大的点称为波腹。
图9-10 压电材料的结晶形态
9.2.1 压电式振动因子
◆表9-4所示为各结晶体的切削角度及其它电气特性。
材料
表9-4 压电材料常数
CUT
振动 样式
电介质 常数ε
(e∙s∙u)
密度ρ (g/cm3)
周波长 常数N
压电伸 缩常数
(KHz∙cm )
(mks)
电气 机械 结合 系数
(%)
水晶
× 厚度 2.5
◆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。
强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z 决定。
◆所谓特性阻抗即为介质的密度（ρ）与音速（C）
的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性
阻抗不同的交界面时，如图9-6，则音波的反射率γ
可用下式表示：
Z2 Z2
Z1 Z1
9.1 超声波及其性质
图9-6 超声波的反射与透射
◆由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射
9.1 超声波及其性质
◆由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使
中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小
愈好），或厚度为超声波半波长的整数倍的板。
若按此要领设计则穿透率T1变成：
T1
Z2
4
Z1
Z1
Z2
2
1
9.1 超声波及其性质
◆如图9-8，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同
的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为θi， 折射角为θt，C1为入射前的波速，C2为折射后的波
例如从直径30mm的振动因子， 图9-5 超声波的指向性 对油中发射出1MHz 的超声波，使
得λ／R =10，于是其指向角θ=4°。 可见，欲使超声波角度集中，可减小λ或增大R，但 一般以减小λ居多。
9.1 超声波及其性质
9.1.6 超声波的反射、透射与折射
◆当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分 会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的
T1
Z1
Z3
2
cos2
KL
4Z1Z3 Z2
Z1Z3
Z2
2
sin2
KL
图9-7 不同媒质间的反射与透射
9.1 超声波及其性质
• 若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1＝Z2 时，
则T1 可简化为：
4
T1
4 cos2
KL
Z2
Z1
Z1
Z2
2
sin2
KL
• 式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3，f 为超声波的频率。
表9-1 超声波在各种介质中的速度
声音阻抗 ρc×105
1.70 4.76 4.98 0.926 4.11 3.61 2.73 1.93 1.81 0.924 0.363 0.143 0.128 0.000042
9.1 超声波及其性质
图9-3 空气、水、金属中的波长及频率
9.1 超声波及其性质
◆由上所述可知，纵波的音速在常温空气中约3.4