第三章超声波传感器

Z=ρC…….声阻抗 ( z=p/v)
It 4Z1n * Z 2n 41c1 cos2 c2 1c1 cos B T 2 I 0 （Z 2n Z1n） ( 1c1 cos 2c2 cos ) 2
式中：I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、 α、β——分别为声波的入射角和折射角； ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反 射波和折射波的速度。
声波从一种介质传播到另一
入射波
反射波

′
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
介质 1 介质 2 o

折射波
传播。这样的两种情况称之为声
波的
反射定律： 入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之 比。
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3-3给出了几种超声物位传感器的结构示意图。
s
h
h
2a (a ) 2a
h
s
h
(b )
图3-3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
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t:
第三章 超声波检测技术
绪言
发展迅速、应用广泛； ◆超声波检测已成为检测技术领域重要分支； ◆对于固体和液体良好的穿透性：决定了它的特 殊 地位，如海洋探测、固体内部探测； ◆无创性：可应用到无损探伤、医疗诊断； ◆非接触性：测速、测距、测温 超声检测有其独特和不可替代地位，也有着广泛的发 展应用前景
◆
第三章 超声波检测
3.1 超声波及其物理性质 3.2 超声波传感器 3.3 超声波传感器应用
3.1 超声波及其物理性质
3.1 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。 声波： 频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波； 次声波：低于16 Hz的机械波； 超声波：高于2×104 Hz的机械波；
现象。
3.1.1
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。
① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和
cl E (1 ) (1 )(1 2 )
cl
B

E:弹性模量，σ： 泊松比，ρ：密度
② 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；
ct h 2
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。
关键是声速的校正 :
测温修正
标准距离修正
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
上几乎全反射， T≈0,透射极少。
如： 在 20 ℃ 水 温 时 ， 水的 特性阻 抗为 ρ
1
c
1
=1.48×106kg/(m2·s), 空气的特性阻抗为 ρ2c2= 0.000 429×106
kg/(m2·s), ρ1c1 >> ρ2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。(T约0.17%)
此时超声波的传输时间将由下式确定：
D t1 cos c v sin D t2 cos c v sin
特点与应用 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
ct E 2 (1 )
③ 表面波(瑞利波)：质点的振动介于横波与纵波之间(椭圆)，沿着介质表 面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减，表面波只在固体的表面传播。 ④板波(兰母波) :质点的振动轨迹椭圆，只存在于仅1波长厚的板中,板的 上下表面都有质点的振动. 不同波形传播速度不同.
3.1.2
3、多谱勒血流成像测量
3.3.７合成孔径成像
件下， 它的测量误差为±0.1%，检测物位的范围为10-2~104m。
3.3.2 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。
微波： 3×108~3×1011 Hz之间的波。
次声波
声波 音乐 语言
6 0 .2 5×1 0
超声波
6 2 0×10
微波
探测
1 01
1 02
1 03
1 04
5 10
1 06
1 07
f / Hz
图3-1 声波的频率界限图 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，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等
气介式超声波换能器
弯曲振动式： 夹心式： 复合振动型：
液（固）介式超声波探头
超声波探头结构 如图 3-2 所示，它主要 由压电晶片、吸收块
金属壳 导电螺杆
接线片
（阻 尼 块 ）、 保 护 膜 、 引线等组成。
吸收块
压电晶片 保护膜
图3-2 压电式超声波传感器结构
3.3 超声波传感器应用
3.3.1 利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性。由换能器发 射超声脉冲，遇到界面被反射回来 ,测量出超声波来回时间，就 可以求出分界面的位置，实现物位进行测量。 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
3.1.3
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
Px P0e I x I 0e
x——声波与声源间的距离；
ax
2 ax
式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；
α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。
声波能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收 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
原理: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，一个装在上游，一个装在下游，其距 离为L, 如图所示。如设顺流方向的传播时间为t1，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
超声波传感器1 超声波传感器2
L t1 cv L t2 cv
1、回声仪
5.3.4温度测量
2、模型河床地形测量
3.3.6超声探伤
1、反射法
2、传导法
3.3.6医疗诊断
1、A超 采用反射回波原理 2、B超成像
探头:线阵,64阵元、８０阵元等 成像原理：若干阵元构成一个子阵，通过发射聚焦和接收聚焦，形成方向性很好的 声束，改变子阵组合，形成多根精细的声束，逐根扫描，从而获得一幅完整的刨 面图象。
形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。
吸收: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。
3.1.4 超声波的分辨率与指向性
距离向分辨率：是测距时所能分辨的最小距离。 主要取决与超声波的频率。 分辨率≥λ 提高频率可提高分辨率。 指向性（方位向分辨率）：能分辨的两物体间的最小间距 对应的波束角。 指向性与换能器的孔径及波长密切相关。 sin 1 . 22 圆形活塞的指向性： 2 d 近场特性: r2 x 当 为远场
3.2 超声波传感器
超声波传感器： 用于产生和接收超声波的装置。 又可称为：超声波换能器、探测器
超声波探头按工作原理可分为：
压电式、磁致伸缩式、电磁式等 压电式最为常用。 常用的材料是石英晶体和压电陶瓷 工作原理：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。正压电效应：将超声振动波转换成电信号， 可作为接收探头。 按传播介质可分为：气介式、液介式、固介式
当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则
2 c2 1c1 R c c 2 2 11 4 1c1 2 c2 T 2 ( 1c1 2 c2 )
2
由上述各式可知， ①若ρ2c2≈ρ1c1，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； ②若ρ2c2>>ρ1c1, 或ρ1c1 >>ρ2c2时,反射系数R≈1，则声波在界面
量。 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。
3.3.3超声多谱勒流速流向测量
原理:超声波作用在水流中粒子上产生反射,由于相对声波的传播方向有 相对运动,故产生多谱勒差频.
v cos f c
二维、三维流速测量：
3.3.4温度测量
1、超声细线式温度计
2、超声水温测量
3.3.5河床地形测量
B1 L
B2
电路
管道
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 Lv t t2 t1 2 c v2
由于c>>v, 从上式便可得到流体的流速， 即
c v t 2L
2
管道流量计的安装方式