传感器课件第七章.

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1、第七章 声/超声波敏感传感 器 7.1 声波的基本性质 7.2 声敏传感器 7.3 超声波传感器 7.4 声表面波传感器 7.5 声板波传感器 声传播过程中同一时刻不同体积元内的压强P都不同，同一体积元的压 强P又随时间变化，即 p=p(x,y,z,t)。设体积元受声扰动后压强由P0变为P ，则产生的逾量压强（简逾压：p= P - P0）称为声压。测量声压可间接求 得媒质质点振动速度等。 将存在声压的空间称为声场，声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压 ，最大的瞬时声压值称为峰值声压。如果声压随时间的变化是简谐规律的 ，则峰值声压就是声压的振幅，瞬时声压对时间取均方根的值称为有效声 压Pe。 T取

2、平均的时间间隔，可以是一 个周期或比周期大很多的间隔 声波是一种机械波，将理想流体媒质中声振动传播的方向与质点振动方 向一致的声波称为纵声波，与质点振动方向垂直的称为横声波。在媒质微 粒的杂乱运动中附加上声波有规律的运动，使得体积元内流入质量流出质 量，有时反过来。即体积元内媒质一会儿稠密稀疏，所以声波的传播实 际上是媒质内稠密和稀疏的交替过程，可以用体积元内压强、密度、温度 、和质点的速度等变化量来描述。 7.1.1 声压及其描述 一、定义 声压随空间位置和时间变化的数学表达式。理想流体媒质的三个基本方程为 ： 1.有声扰动时运动方程， 即声场中声压p与质点速度v的关系： 2.声场中媒质的连

3、续性方程， 即质点速度v与密度的关系： 3.有声扰动时的物态方程， 即压强P微小变化与密度微小变化的关系： 下标s表示绝热过程。由于媒质被压缩时压强和密度都增加，膨胀时二者都 降低，则系数 恒大于0，表示，c为声振动在媒质中的传播速度 对于平衡态时的理想气体， 对于平衡态时的一般流体， 二、声波动方程 对于小振幅声波，压强的微分即声压p，密度的微分即密度增量，媒 质物态方程简化为： 若声波仅沿x方向传播，yz平面上的所有质点的振幅和位相均相同，声 波的波阵面是平面，平面波波动方程的解为： 为声源简谐振动的圆频率；k=/c0=1/称为波数；pA为声压幅值 则由有声扰动运动方程知质点速度为： vA

4、质点振动的振幅 指将声场中某位置的声压p与该位置的质点速度v的比值，即： 对于平面声波，代入 和 对于沿负方向的反射波： 可见，平面声场中各位置的声阻抗率数值相同，且为一常数。说明了 平面声场各位置都无能量的储存，前一个位置的能量可完全传播到后一个 位置。 一般zs为复数，其实部反映了能量的传播损耗。 三、声阻抗率 当声波传播到静止媒质时，质点在平衡位置附近来回振动使媒质具有 了振动动能，同时媒质产生了压缩和膨胀使媒质具有了形变位能，两部分 之和就是声扰动使媒质得到的能量。声传播声能量也随着转移。 体积元V0里总的声能量为动能EK和位能EP之和，即: 声能密度：单位体积内的声能量，即： 平面波

5、的声压和质点速度代入，动能与位能密度是同相位的，动能密 度最大时位能也最大，声能密度随时间由0变到最大，即： 7.1.2 声功率和声强 一个周期的平均声能密度值，即： 为有效声压。平均声能密度处处相等 平均声能量流或平均声功率：单位时间通过垂直于声传播方向面积S的平均声 能量，即： 平均声能量流密度或声强：将单位时间通过垂直于声传播方向的单位面积的 平均声能量，即： 可用单位时间、单位面积的声波向前进方向比邻媒质所作的功表示，对 于平面声波，有： 式中Re代表取实部；ve为有效质点速度，等于 声压级SPL定义为待测有效声压pe与参考声压pref比值的常用对数的20倍，即： 声强级SIL定义为待

6、测声强Ie与参考声强Iref比值的常用对数的10倍，即： 将 代入得到声压级与声强级的关系式： 如果测量时恰好0c0=400，则SIL=SPL；一般情况声强级与声压级相差 一个修正项，且它通常很小。 声波传播中遇到各种障碍物，会有部分声波反射回来，同时也有一部 分会透射过去。当平面声波垂直从媒质射到媒质界面上时，反射波声 压prA与入射波声压piA之比rp、反射质点速度vrA与入射波质点速度viA之比 rv、透射波声压ptA与入射波声压piA之比tp、透射波质点速度vtA与入射波质 点速度viA之比tv分别为： R1=1c1、R2=2c2为媒质和媒质的特性阻抗，R12=R2/R1，R21=R1

7、/R2 7.1.3 声波的反射、折射、透射和吸收 可见，声波在分界面上的反射和透射的大小仅决定于媒质的特性阻 抗。当R2=R1时，rp=rv=0，tp=tv=1，表明没有反射、全部透射，即只要两 种媒质的特性阻抗相同，它们的分界面就象不存在一样。 当R2R1时，媒质比媒质在声学性质上更“硬”，此界面称为硬界 面，rv 小于0，反射波质点的速度与入射波质点的位相改变180。 当R2v，于是上式可近似为： 流体的平均流速为： 该测量方法精度取决于的测量精度，同时应注意c并不是常数，而是温 度的函数。 2. 相位差法测流量 当A为发射探头、B为接收探头时，接收 信号相对发射超声波的相位角为 ： 当B

8、为发射探头、A为接收探头时，接 收信号相对发射超声波的相位角为 ： 相位差为： 由于cv，于是上式可近似为： 流体的平均流速为： 该法以测相位角代替精确测量时间，因而可以进一步提高测量精度。 3. 频率差法测流量 当A为发射探头、B为接收探头时，超声 波的重复频率f1为 ： 当B为发射探头、A为接收探头时，超 声波的重复频率f2为 ： 频率差为： 流体的平均流速为： 当管道结构尺寸L和探头安装位置一定时，上式中v直接与 无关。可见该法将能获得更高的测量精度。 有关，而与c值 四、超声波探伤 1. 穿透法探伤：穿透法探伤是根 据超声波穿透工件后能量的变化 状况来判断工件内部质量的方法 。穿透法用

9、两个探头，置于工件 相对两面，一个发射声波，一个 接收声波。发射波可以是连续波 ，也可以是脉冲。其结构如下图 所示。 当在探测中工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有 缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化， 就可把工件内部缺陷检测出来。此法的特点：探测灵敏度较低，不能发现小 缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；适宜探测超声波衰减 大的材料；指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板；对两 探头的相对距离和位置要求较高。 2. 反射法深伤 a. 一次脉冲反射法：下图以一次底波为依据进行探伤的方法。高频脉冲发生器 产生脉冲（发射波）加在

10、探头上，激励压电晶体振动，使它产生超声波。超声波 以一定的速度向工件内部传播，一部分超声波遇到缺陷F时反射回来，另一部分 超声波继续传至工件底面B后也反射回来，都被探头接收又变为电脉冲。发射波T 、缺陷波F及底波B经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线 为扫描线（时间基准），其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描 线上的位置，可求出缺陷位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的 开头可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回 来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波， 没有F波。 b. 多次脉冲反射法探伤：

11、多次脉冲反射法是以多次底波为依据而进行探伤的 方法。声波由底部反射回至探头时，一部分声波被探头接收，另一部分又折回 底部，这样往复反射，直至声能全部衰减完为止，若工件中无缺陷，则荧光屏 上出现呈指数曲线递减的多次反射底波如下图 (b)所示。当工件内有吸收性缺 陷时，声波在缺陷处的衰减很大，底波反射的次数减少，甚至消失，以此判断 有无缺陷及严重程度，如下图 (c)、(d)。当工件为板材时，为了观察方便，一 般常用多次脉冲反射法探测。 7.1 声波的基本性质 7.2 声敏传感器 7.3 超声波传感器 7.4 声表面波传感器 7.5 声板波传感器 7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理 7.4.2

12、 高分辨率SAW温度传感器 7.4.3 SAW气体传感器 7.4.4 SAW压力传感器 SAW传感器的关键是SAW振荡器，它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的 叉指换能器所组成，有延迟线型和振子型两种振荡器，其基本结构如下图所示。 延迟线型SAW振荡器由一组SAW发射接收电极（IDT）和反馈放大器组成，其振荡 频率： 式中VR为SAW传播速度，L为两个IDT之间的距离，E为放大器相移量，n为正整数 （与电极形状及L值有关）。 由上式可知，当E不变，外界被测参量变化时，会引起VR、L值发生变化， 从而引起振荡频率改变f： 振子型SAW振荡器是在基片材料表面中央做成叉指换能器，并在其两侧配置两

13、 组反射栅阵构成，其振荡频率f0与叉指电极周期长度T及声表面波传播速度VR有关 ： 因此，外界待测参量变化时会引起VR、T变化，从而引起振荡频率改变： 所以，测出振荡频率的改变量即可求出待测参量的变化。这是SAW传感器 的基本原理。根据基片材料（压电晶体）的逆压电效应，可制成SAW温度、压 力、电压、加速度、流量和化学传感器，通过测量振荡频率的变化而获得待 测参量值，适合于高精度遥测、遥控系统。 7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理 7.4.2 高分辨率SAW温度传感器 7.4.3 SAW气体传感器 7.4.4 SAW压力传感器 SAW温度传感器是根据温度变化会引起表面波速度改变从而引起振

14、荡频率变 化的原理设计而成的。由于外界温度变化所引起的基片材料尺寸变化量很小， 在 和 中后边一项都可以忽略。因此有： 选择适当的基片材料切型，可使表面波速度VR只与温度T的一次项有关： 其中T0为参考温度 由以上两式可得： 即振荡频率变化量与温度变化率之间呈线性关系。若预先测出频率-温度 特性，则由振荡频率的变化量可检测出温度变化量，从而得到待测温度T。 SAW温度传感器可以制成接触式和非接触式两种。前者要求将传感器 与被测物体直接接触，由于基片、电池与元件的限制，其测量温度不能 太高，同时会破坏被测温度场的分布，因此有一定局限性。非接触式温 度传感器不要求将传感器与被测物体接触，而是利用被

15、测物体辐射出的 红外线使SAW振荡器的传播通路的表面温度升高，伴随振荡频率发生变化 ，通过测量振荡频率的变化来获得温度变化值。由于这种采用测辐射温 升方式，接收红外辐射部分的热容必须很小，否则灵敏度不高；另外， 在室温附近测量温度时，易受环境温度影响，所以应使用两个振荡频率 相同的元件进行差分，并将它们安装在同一个底座上封入同一外壳中。 利用非接触式SAW温度传感器可制成远距离温度无线遥测，其系统结 构框图如下图所示，其中SAW振荡器和振荡元件构成温度传感器，输出信 号通过小型简易天线发射出去，接收信号通过外差法变成低频，并用IC 计算器计频，计数器的输出送入微机并转化为温度值显示出来。 7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理 7.4.2 高分辨率SAW温度传感器 7.4.3 SAW气体传感器 7.4.4 SAW压力传感器 SAW气体传感器是以SAW元件为基底材料，在其上形成选择性气体敏感膜并 配以外部电路而构成的，其结构如上图所示，敏感膜在SAW传播通道上，当敏感 膜吸附气体分子与气体结合时，会引起膜密度和弹性性质等发生变化，从而使 表面波速度VR发生变化，结果导致振荡频率f0变化。通过检测振荡频率的变化量 即可测出被吸附气体的浓度。 下图给出一个双通道SAW气体传感器的结