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1、9.1 声传感器 9.2 声表面波传感器 9.3 超声波传感器 9.4 微波传感器 习题,第9单元 波传感器,请你思考,考虑波的衰减主要取决于什么？ 目前的超声波测距传感器的测量准确度和响应速度？ 举出采用电气和机械方法产生超声波的方法。,波是指某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动。不同形式的波虽然在产生机制、传播方式和与物质的相互作用等方面存在很大差别，但在传播时却表现出多方面的共性，可用相同的数学方法描述和处理。波传感器的定义范围非常广，只要是利用波动原理制作而成的传感器都可以叫做波传感器。在本章中将介绍主要的几种波传感器。,9.1 声传感器,9.1.1声波基本概念 1. 声波
2、 声波与振动是紧密相关的，机械振动常常引起声辐射。物体振动时激励着它周围的空气质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下，振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。按照频率范围，声波可分为次声波、可听声波、超声波。可听声波的频率在16Hz20kHz之间。低于16Hz的振动产生的机械波称为次声波。频率超过20kHz的机械波称为超声波。,2. 声波的波形 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波型也会不同。通常有以下三种： (1)纵波 (2) 横波 (3) 表面波 3. 声波的特性 (1) 声压(P) 当声波传播时，某处的空气疏密地变化，
3、使压强在大气压附近上下变化，相当于在原来的大气压强上叠加一个变化的压强，这个叠加上去的压强就叫声压。通常所说的声压，是指一段时间内瞬时声压的均方根值(即有效声压)，故总是正值。对于正弦波形，有效声压等于瞬时声压最大值Pmax除以，即 一般来说，如未加说明，声压指有效声压。,(2) 声功率 声波是能量传播的一种形式，因此也常用能量的大小来表示声音的强弱。声源在单位时间内向外辐射的声能量叫做声功率，用符号W表示，单位为W。 (3) 声强 声强也是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。它是指单位时间内(每秒钟)，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，用符号I表示，单位为W/m2。若声能通过的面
4、积为S，则声强为 在无反射声波的自由场中，点声源发出的球面波，均匀地向四周辐射声能，因此，距离声源中心为r的球面上的声强为,(4) 声压级、声强级和声功率级 通常采用按对数方式分级的办法来表示声音大小,这就是声压级、声强级、声功率级。 声压级(LP) 声压级Lp指测量的声压P与参考声压Pref的比值取常用对数，再乘以20, 单位为分贝(dB)，即,式中，参考声压Pref=210-5 Pa，为1kHz时的听阈。 声强级(LI) 声强级LI是指测量的声强I与参考声强Iref比值取常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即,声功率级(LW) 声功率级是指测量的声功率W与参考功率Wref的比值取常用
5、对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即,式中，参考功率Wref =10-12，为1HZ时听阈声功率值。 由于在一定条件下，声压级、声强级、声功率级在数值上是相等的，因此，可将三者统一用声级表示。,式中，P，I分别为平面波在x处的声压和声强；P0 ，I0为平面波在x=0处的声压和声强；为衰减系数。 5. 声波的多普勒效应,4. 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，衰减的程度以衰减系数来表示。在平面波的情况下，其声压和声强的衰减规律如下,9.1.2 声敏传感器 声敏传感器是一种将在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置，它用接触或非接触的方法检出信
6、号。声敏传感器的种类很多，按测量原理可分为压电、电致伸缩效应、电磁感应、静电效应和磁致伸缩等等。,1. 电阻变换型声敏传感器 按照转换原理将这类传感器可分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典型实例是碳粒式送话器，其工作原理如图所示，当声波经空气传播至膜片时，膜片产生振动，使膜片和电极之间碳粒的接触电阻发生变化，从而调制通过送话器的电流，该电流经变压器耦合至放大器经放大后输出。阻抗变换型声敏传感器是由电阻丝应变片或半导体应变片粘贴在膜片上构成的。当声压作用在膜片上时膜片产生形变，使应变片的阻抗发生变化，检测电路将这种变化转换为电压信号输出从而完成声-电的转换。,碳粒式送话器
7、的工作原理图,2. 压电声敏传感器 压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成的。下图是压电传感器的结构图。压电晶体的一个极面和膜片相连接，当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，压电晶体 在机械应力的作 用下产生随声压 大小变化而变化 的电压，从而完 成声电的转换。 压电声敏传感器 可广泛用于水声 器件、微音器和 噪声计等方面。,压电传感器的结构图,3. 电容式声敏传感器(静电型) 下图为电容式送话器的结构示意图。它由膜片、外壳及固定电极等组成，膜片为一片质轻而弹性好的金属薄片，它与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。当膜片在声波作用下振动时，膜片与固定电极间的距离发生
8、变化，从而引起电容量的变化。如果在传感器的两极间串接负载电阻RL和直流电流极化电压E，在电容量随声波的振动变化时，在RL的两端就会产生交变电压。 电容式声敏传感器的输出阻抗呈容性，由于其容量小，在低频情况下容抗很大，为保证低频时的灵敏度，必须有一个输入阻抗很大的变换器与其相连，经阻抗变换后，再由放大器进行放大。,电容式送话器结构示意图,4. 音响传感器 音响传感器包括：将声音载于通信网的电话话筒；将可听频带范围(20Hz20KHz)的声音真实地进行电变换的放音、录音话筒；从媒质所记录的信号还原成声音的各种传感器等。根据不同的工作原理(有电磁变换、静电变换、电阻变换、光电变换等)，可制成多种音响
9、传感器。下面介绍一种音响传感器水听器。 一般来说，水声观测设备主要由两部分组成，一是电子设备产生、放大、接收和指示电信号的部分，它具体包括发射机、接收机、指示器等；二是水声换能器它的作用是完成电声信号的转换。下图是几种常用的水声设备的作用示意图。,(a)被动式声呐,(b)主动式声呐,几种水声设备的工作示意图,当水声换能器工作在发射状态时，它的任务就是把电的振荡能转换为机械系统的振动能，再推动水介质向外辐射声能量。当水声换能器工作在接收状态时，它的任务和发射状态时相反，即先把水介质中的声信号通过机械振动系统耦合到电路中并变成电信号，然后再把电信号送到接收或指示设备上去。,(c)水声通信仪,9.2
10、 声表面波传感器 9.2.1 概述 声表面波(SAWSurface Acoustic Wave)是英国物理学家瑞利在1886年研究地震波过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波谐振器的核心是叉指换能器。基于声表面波谐振器的频率特性，配上必要的电路和结构，可以实现敏感许多参数的声表面波传感器。 SAW传感器主要有以下优点。 1. 高准确度、高灵敏度。 2. 结构工艺性好，便于批量生产。 3. 体积小，质量小，功耗低，易于集成。 4. 与微处理器相连，接口简单。,9.2.2 SAW传感器的基本原理 SAW传感器的基本原理是在压电材料表面形成叉指换能器，构成SAW振荡器或谐振器，适当设计
11、SAW振荡器或谐振器，使其对微细的待测量敏感。一般是使被测量作用SAW的传播路径，引起SAW的传播速度发生变化，从而使振荡频率发生变化，通过频率的变化检测被测量。 1. 声表面波叉指换能器 图7-11所示为叉指换能器的基本结构，它由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成，这些电极条互相交叉放置，两端由汇流条连在一起，其形状如同交叉平放的两排手指，故称为均匀(或非色散)叉指换能器。,当在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后，在电基片内部的电场分布如图所示。该电场可分解为垂直与水平两个分量EV和EH。由于基片的逆压电效应，这个电场使指条电极间的材料发生形变，使质点发生位移，EH使质点产生平
12、行于表面的压缩(膨胀)位移，EV则产生垂直于表面的剪切位移。这种周期性的应变就产生沿叉指换能器两侧表面传播出去的SAW，其频率等于所施加电信号的频率。,叉指换能器的基本结构,叉指电极下某一瞬间的电场分布,2. 声表面波谐振器 声表面波谐振器有两种实现方式。一种以声表面波谐振子(SAWRSurface Acoustic Wave Resonator)为核心，一种以声表面波延迟线为核心，再配以适当的放大器组成。由SAWR构成的声表面波谐振器是目前在甚高频和超高频段实现高Q值的唯一器件。 SAWR由一对叉指换能器及金属栅条式反射器构成，如图所示,SAWR基本结构,9.2.3 声表面波传感器的应用 1
13、. SAW压力传感器 SAW压力传感器通常采用周边固定的石英膜片为敏感元件。由于敏感膜片受到的压力与该作用力引起的SAW振荡器输出频率的变化具有对应关系，因此通过测量SAW的输出频率偏移，即可得知压力的大小。下面是SAW压力传感器结构原理图。,SAW压力传感器的原理结构图,2. SAW气敏传感器 在SAW气敏传感器中，要使SAW器件对某些特殊气体敏感，需要在延迟线的两个叉指换能器之间，即声表面波的传播路径上敷设一层具有特殊选择性的吸附膜，该吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。吸附膜吸收了环境中的某种特定气体，使基片表面性气体成分的含量增多。为了实现对环境温度变化的补偿，SAW气敏传感器大多采用
14、双通道延迟线结构。,气敏传感器的原理结构,9.3 超声波传感器 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要使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波产生、传输及接收的物理过程完成的。通常，20kHz以上频率的高频声波称为超声波。超声波的应用都必须借助于超声波探头(换能器或传感器)来实现。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的超声探伤、超声清洗、超声焊接、超声检测和超声医疗等方面，无论在使用效果、经济价值以及适用范围方面，都有着良好的发展前景。,超声波具有以下四个基本特性: 1.束射特性 2.吸收特性 3.高功率 4.声压作用,上述基本特性使超声波在
15、媒体中产生如下效应：机械效应、热学效应、空化效应、声流效应和生物学效应。超声波的波型、转换方式以及传输速度等方面同声波一致。,9.3.1 超声波传感器的工作原理 超声波传感器是检测伴随超声波传播的声压或介质形变的装置。利用压电效应、电应变效应、磁应变效应、光弹性效应等应变与其它物理特性相互作用的方法，或用电磁的、静电的或光学的手段等可检测由声压作用产生的振动。超声检测技术的基本原理通常是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液面、厚度、缺陷等)与某些描述媒质声学特性的超声量(如声速、衰减、声阻抗等)之间存在着的直接或间接关系，在探索到这些关系的规律之后就可通过
16、超声量的测定来测出那些待测的非声量。 超声波传感器的敏感元件多用压电晶体，依据的原理是压电效应。,右图是超声波传感器结构图。它采用双晶振子，即把双压电片以相反极化方向黏在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，分别用引线接到两个电极上。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着， 这两处的支点就成 为振子振动的节点。 金属板的中心有圆 锥形振子，发送超 声波时，圆锥形振 子有较强的方向性， 高效率地发送超声 波。接收超声波时， 超声波的振动集中 于振子的中心，产 生高频电压。,超声波传感器结构图,下图是双晶振子超声波传感器的工作原理示意图。若在双晶振子上施加40kHz的高频电压，根据逆压电效应，压电陶瓷片a、b就随所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器。图中接收器中也有与发射器结构相同的双晶振子，若接收到发送器发送的 超声波，振子就以 发送超声波的频率 进行振动，由于压 电效应的原理，即 在压电元件的特定 方向上施加压力，
