超声波传感器及应用

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4.超声波的衰减
• 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
• 超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。
103MPa·s 1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
钢
7.8
Байду номын сангаас
46
5.9
3.23
铝
2.7
17
6.32
3.08
铜
8.9
42
4.7
2.05
有机玻璃
1.18
3.2
2.73
1.43
甘油
1.26
2.4
1.92
—
水（20℃） 1.0
1.48
1.48
—
油
0.9
1.28
1.4
—
空气
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• （1）反射定律
• 入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波速
之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等
时，入射角 等于反射角'。
• （2）折射定律
• 入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超声波
在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的 波速c2之比，即
• sin / sin = c1 / c2
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1.1.单晶直探头
• 用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作， 外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶 片磨损。保护膜可以用三氧化二铝（钢 玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。 阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声 脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分 辨力。阻尼吸收块用钨粉、环氧树脂等浇 注。
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二、超声波探头及耦合技术
• 为了以超声波作为检测手段，必须产生超 声波和接收超声波。
• 完成这种功能的装置就是超声波传感器， 习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。
• 超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质 中传到其介面经过反射后，再返回到接收 探头，这就是超声波测距原理。
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主要内容
• 一、超声波及其物理性质 • 二、超声波探头及耦合技术 • 三、超声波传感器的应用
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一、超声波及其物理性质
超声波的基本概念
• 1．超声波的概念和波形
• 机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称 为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz， 即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以 下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为 超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。
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1.2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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1.3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中
的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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声波的波型
• （1）纵波—质点振动方向与波的传播方向 一致的波。
• （2）横波—质点振动方向垂直于传播方向 的波。
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3.超声波的反射和折射
• 超声波从一种介质传播到另一介质，在两 个介质的分界面上一部分能量被反射回原 介质，叫做反射波，另一部分透射过界面， 在另一种介质内部继续传播，则叫做折射 波。这样的两种情况分别称之为声波的反 射和折射，
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波的反射和折射
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0.0013
0.0004
0.34
—
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（2）波长
• 超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c， 即
• λ f =c
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（3）指向性
• 超声波声源发出的超声波束以一定的角度 逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线 上，超声波最强，且随着扩散角度的增大 而减小。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
超声波传感器及应用
引言
• 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学 为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它 是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程 来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿 透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿 透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另 一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同， 在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛 的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测 量、超声显微镜及超声成像等。
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2.声速、波长与指向性
• （1）声速 • 纵波、横波及表面波的传播速度取决于介
质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗 。 • 介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的
乘积，即 • Z=ρc
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常用材料的密度、声阻抗与声速（环
材料
境温度为0℃）
密度 ρ(103kg·m-
1)
声阻抗 Z（
• （3）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，多采用纵波。
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纵 波
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横波
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表面波
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1 超声波探头
• 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式 • 其结构不同，超声波探头又分为直探头、
斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、 冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及 其他专用探头等，
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各种超声波探头 （以下参考
常州市常超检测设备有限公司资料）
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
• 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强
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声波频率的界限划分
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声波的分类 1.1次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
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接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保护膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
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接插件
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超声波探头中的压电陶瓷芯片
将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压 电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当 超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应， 将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。