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1、第,10,章,超声波传感器,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,第,10,章,超声波传感器,10.1,超声波及其物理性质,10.1,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。其频率在,162,10,4,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,2,10,4,Hz,的机械波，称为超声,波,如图,10-1,所示。频率在,3,10,8,3,10,11,Hz,之间的波，称为微,波。,第,10,章,超声波传感器,图,10-1,声波的频率界限图,当超声波由一种介质入射
2、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。,第,10,章,超声波传感器,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。,纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在,固体、,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。,第,10,章,超声波传感器,超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在,气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，
3、所以仅有纵波的,传播，其传播速度,c,为,n,B,c,?,1,?,式中：,B,a,绝对压缩系数。,上述的,、,B,a,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,0,100,时声速随,温度变化的数值。,（,10-1,）,第,10,章,超声波传感器,表,10-1 0,100,范围内蒸馏水声速随温度的变化,第,10,章,超声波传感器,表,10-1 0,100,范围内蒸馏水声速随温度的变化,第,10,章,超声波传感器,从表,10-1,可见，蒸馏水温度在,0,100,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
4、增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。,在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，,通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的,90%,。气体中纵波声速为,344,m/s,，液体中纵波声速在,900,1900m/s,。,第,10,章,超声波传感器,10.1.2,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。,第,10,章,超声波传感器,图,10-2,超声波的反射和折射,第,10,章,超声波传感器,由物理学知，当波在界面上产生反
5、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,c,1,与折射波在第二介质中的波速,c,2,之比，即,2,1,sin,sin,c,c,?,?,?,（,10-2,）,声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得,:,2,1,1,2,2,0,cos,cos,?,?,?,?,?,?,?,?,?,c,c,I,I,R,r,?,?,?,?,(10-3),第,10,章,超声波传感器,2,2,2,1,1,2,2,2,1,1,0,),cos,(,cos,4,c,c,c,c,I,I,T,t,?,?,?,?,?,
6、?,?,?,?,?,?,(10-4),式中：,I,0,I,r,I,t,分别为入射波、反射波、,、,分别为声波的入射角和折射角；,1,c,1,、,2,c,2,分别为两介质的声阻抗，其中,c,1,和,c,2,分别为反,射波和折射波的速度。,第,10,章,超声波传感器,当超声波垂直入射界面，即,=,=0,时，则,2,2,2,1,1,2,2,1,1,2,1,1,2,2,1,1,2,2,),(,4,1,1,c,c,c,c,T,c,c,c,c,R,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,(10-6),(10-5),第,10,章,超声波传感器,
7、由式（,10-5,）和式（,10-6,）可知，若,2,c,2,1,c,1,，则反射系数,R,0,，透射系数,T,1,，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质,透射入第二介质；若,2,c,2,1,c,1,反射系数,R,1,，则声波在界面上,几乎全反射，透射极少。同理，当,1,c,1,2,c,2,时，反射系数,R,1,，,声波在界面上几乎全反射。如：在,20,水温时，水的特性阻,抗为,1,c,1,=1.48,10,6,kg/(m,2,s),空气的特性阻抗为,2,c,2,=0.000,429,10,6,kg/(m,2,s),1,c,1,2,c,2,故超声波从水介质中传播至水,气界面时，,将发生全反射。
8、,第,10,章,超声波传感器,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,ax,x,ax,x,e,I,I,e,P,P,2,0,0,?,?,?,?,（,10-7,）,（,10-8,）,式中：,P,x,、,I,x,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）。,第,10,章,超声波传感器,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。散射衰减是指超
9、声,波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬,浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向,运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、,介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞,性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一,部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损,耗。,第,10,章,超声波传感器,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，其中以压电式最为常用。,压电式超声波探头常用的材
10、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号，可作为接收探头。,第,10,章,超声波传感器,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。,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
11、冲宽度，使分辨率变差。,第,10,章,超声波传感器,图,10-3,压电式超声波传感器结构,第,10,章,超声波传感器,10.3,超声波传感器应用,10.3.1,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。,第,10,章,超声波传感器,图,10-4,给出了几种超声物位传感器的
12、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。,第,10,章,超声波传感器,图,10-4,几种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,第,10,章,超声波传感器,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,
13、2,2,ct,h,c,h,t,?,?,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。,第,10,章,超声波传感器,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,2,s,，而,2,ct,s,?,（,10-11,）,因此液位高度为,2,2,a,s,h,?,?,（,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。,第,10,章,超声波传感器,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
14、有气泡或液面发生波动，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,10,-2,10,4,m,。,第,10,章,超声波传感器,10.3.2,超声波流量传感器,超声波流量传感器的测定方法是多样的，,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播时间差法。,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。,第,10,章,超声波传感器,如果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
15、在上游，一个装在下游，其距,离为,L,如图,10-5,所示。如设顺流方向的传播时间为,t,1,，逆流方向,的传播时间为,t,2,，流体静止时的超声波传播速度为,c,，流体流动,速度为,v,，则,v,c,L,t,v,c,L,t,?,?,?,?,2,1,（,10-13,）,（,10-14,）,第,10,章,超声波传感器,图,10-5,超声波测流量原理图,第,10,章,超声波传感器,一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，,因此超声波传播时间差为,2,2,1,2,2,v,c,Lv,t,t,t,?,?,?,?,?,（,10-15,）,由于,cv,从上式便可得到流体的流速，,即,t,L,c,
16、v,?,?,2,2,（,10-16,）,第,10,章,超声波传感器,图,10-6,超声波传感器安装位置,第,10,章,超声波传感器,此时超声波的传输时间将由下式确定：,?,?,?,?,sin,cos,sin,cos,2,1,v,c,D,t,v,c,D,t,?,?,?,?,（,10-17,）,（,10-18,）,第,10,章,超声波传感器,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、河流等流速的测量。,
