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1、8.1 超声波及其物理性质 8.2 超声波传感器 8.3 超声波传感器的应用,第八章 超声波传感器,返回主目录,超声波的基本特性 超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础、应用十分广泛的通用技术之一。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。因此，我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃。在国民经济中，对提高产品质量、保障生产安全和设备安全运行、降低生产成本、提高生产效率等具有重要的意义。 超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为
2、：利用超声波使物体或物件发生变化的功率效应，称之为功率超声；利用超声波获取若干信息，称为检测超声。这两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器(或称为换能器、或探头)来实现。,一般说来，人们可听到的声音频率范围大约为20Hz20kHz，即为可听声波。超过此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。一般说话的频率范围为100Hz8kHz。 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，利用这种性质就可制成超声波传感器，系统中就是利用了高频超声波反射能力强的特点，来实现距离的测量。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，一般为340 m/s，这就
3、使得超声波传感器的使用变得非常简单。 超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。,3. 超声波对超声场产生的作用(效应) (1) 机械作用 超声波在传播过程中，会引起介质质点交替地压缩与伸张，组成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运动，位移虽然不大，但与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大，有时超过重力加速度的数万倍。这样大的加速度足以造
4、成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用。 (2) 空化作用（清洗、分散、粉碎效应） 在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为声空化。这种声空化现象是超声学及其应用的基础之一。 液体产生空化作用与介质的温度、压力、空化核半径、含气量、声强、粘滞性、频率等因素有关。一般情况下、温度高易于空化；液体中含气高、变化阀位低，易于空化；声强高也易于空化；频率高，空化阀值高，不易于空化。例如，在15kHz时，产生空化的声强只需要0.162.6W/cm；而
5、频率在500kHz时，所需要的声强则为100400 W/cm。 在空化中，气泡闭合时所产生的冲击波强度最大。局部压力可达到上千个大气压，由此足以看出空化的巨大作用和应用前景。,(3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也是有能量吸收。同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度升高值更大，这是因为分界面上特性阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间的相对摩擦而发热。 超声波的热效应在工业、医疗上都得到了广泛应用。超声波除了上述几种作用（效应）外，还有声流效应、触发效应和弥散效应
6、，它们都有很好的应用价值。,第八章 超声波传感器,8.1 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。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。 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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 ,超声波物理基础,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，
7、能产生明显的反射和折射现象。,超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。,振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体和气体中传播。,振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。,书上振荡表示：,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。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。,一、 超声波的波形及其转换 由于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; 横波质点振动方向垂直于传播方向的波; 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，
8、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, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在9001900 m/s。 ,当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。 二、 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。,由物
9、理学知, 当波在界面上产生反射时, 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时, 入射角的正弦与折射角的正弦之比, 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,三、 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-x （10 - 2） Ix= I0e-2x （10 - 3）,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/m（奈培/米）。 声波在介质中传播时, 能量的衰减决定于声波的
10、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。,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换能器、 探测器或传感器。 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, 而以压电式最为常用。 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
11、成高频机械振动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 ,超声波探头结构如图10 - 3所示, 主要由压电晶片、 吸收块（阻尼块）、 保护膜组成。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。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,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
12、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。 单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器, 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水中, 让超声波在液体中传播。 由于超声波在液体中衰减比较小, 所以即使发生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, 这种方式便于安装和维修, 但超声波在空气中的衰
13、减比较厉害。 对于单换能器来说, 超声波从发射到液面, 又从液面反射到换能器的时间为,式中: h换能器距液面的距离; v超声波在介质中传播的速度。 对于双换能器来说, 超声波从发射到被接收经过的路程为2s, 而 s = （10 - 6） 因此液位高度为 h = （s2-a2）1/2 （10 - 7） 式中: s超声波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间隔时间, 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，便会有较大的误差。在一般使用条件下, 它的测量误差为0.1%, 检
14、测物位的范围为10-2104 m。 二、 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的, 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输时间差法。 超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 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传感器, 它们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。如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为
15、v, 则 t1 = （10 - 8） t2 = （10 - 9） 一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 那么超声波传播时间差为,t=t2-t1= （10 - 10） 由于cv, 从上式便可得到流体的流速, 即 v = （10 - 11） 在实际应用中, 超声波传感器安装在管道的外部, 从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响, 如图10 - 6所示。,超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点, 可测流体种类很多, 不论是非导电的流体、 高粘度的流体、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。 还可用于下水道、农业灌溉、 河流等流速的测量。 ,
