第七章 超声波敏敏感传感器1

第七章 声／超声波敏感传感器
声波的基本性质
机械振动在空气中的传播称为声波，更广泛地将物体振动发生的并 能通过听觉产生印象的波都称为声波，人耳可闻的声波频率范围是 16 一 20 kHz ；而超过可听声频率范围的声波（即超过 20 kHz ）称 为超声波，超声波具有很好的定向性和贯穿能力。这两种信号的应 用领域各不相同，被感受的原理有很多相同之处，也有不同之处， 下面分别给以介绍。
图7-4 典型压电送话器 图7-5 压电微音器电路图
7.2.3 电容式声敏传感器（静电型）
图7-6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。图7-7所示为电容式送话器 实物图。
图7-6 电容式送话器结构示意图 图7-7 电容式送话器实物图
③ 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，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 900~1900 m/s。
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
δ。 超声波频率f与其厚度δ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
图14
止时, 晶片将会继续振荡, 加
长超声波的脉冲宽度, 使分辨
7.4.2 超声波对超声场产生的作 用(效应)
(1) 机械作用 (2) 空化作用 (3) 热学作用
二、 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。
图15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减比较厉害。
7.2 声敏传感器
7.2.1 电阻变换型声敏传感器
图7-1 碳粒式送话器的工作原理图
图7-2 小型碳粒送话器
图7-3 压电声敏传感器结构图
7.2.2 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。图7-3所示为压电传感器的结构 图。图7-4所示为典型压电送话器实物照片， 图7-5为其在噪声计上的应用电路。
一、 声波的基本性质
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。 传播声波的连续媒质可以看作由许多紧密相连的微小体积元 dy 组 成的物质系统，体积元内的媒质可以当作集中在一点、质量等于 ρdV 的质点（ P 为媒质的密度，是随时间和坐标变化的）。在平衡 状参态数时来系描统述可，以此用时体组积成媒V0质（的或分密子度在ρ0不）停、地压运强动P着0和，温在度时T间0 等t 内状体态 积元中流入的质量和流出的质量相同，即质量不变。如有声波作用 时，在组成媒质微粒的杂乱运动中附加上一个有规律的运动，使得 体积元内有时流人的质量大于流出的质量，有时又反过来。即体积 元内媒质一会儿稠密，一会儿稀疏，所以声波的传播过程实际上是 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。
1、声压及其描述
设体积元受声扰动后压强由 P0 变为P，则由 声扰动产生的逾量压强（简称逾压： p = P P0 ) 就称为声压。因为声传播过程中，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，所以声压 P 是 空间和时间的函数。同样地由声扰动引起的 密度变化量 也是空间和时间的函数，此外，
7.2.4 音响传感器 1．驻极体话筒
驻极体是以聚酯、聚碳酸酯和氟化乙烯
树脂作为材料的电介质薄膜，使其内部极化
，并将电荷固定在薄膜的表面。将薄膜的一 个面做成电极，如图7-8所示，与固定电极保 持一定的间隙d0，并配置于固定电极的对面 。在薄膜的单位电极表面上所感应的电荷为
Q 1d1 1d0 0d1
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。
2、 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 情况称之为声和吸收 声波在传播过程中常常会遇到各种各样的障碍物，会有一 部分声波反射回来，同时也有一部分声波会透射过去。
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。
声波在非理想媒质中传播时，会出现声波随距离而逐渐衰 减的物理现象，产生声能变为热能耗散的过程，将这种耗 散称为媒质中的声衰减，或声波的吸收。引起媒质声吸收 的原因很多。在纯媒质中媒质的粘滞、热传导和媒质的微 观过程引起的弛豫效应等都会引起声吸收，在非纯媒质中 如空气中的灰尘粒子对媒质作相对运动的摩擦损耗和声波 对粒子的散射引起附加的能量耗散是声吸收的主要原因。 两列声波合成声场的声压等于每列声波声压之和， 这就 是声波的叠加原理。两列具有相同频率、固定位相差的声 波叠加时会发生干涉现象，且合成声压仍然是相同频率的 声振动，但合成的振幅与两列声波的振幅和位相差都有关。 若两列声波的频率不同，即使具有固定的位相差也不可能 发生干涉现象。
图13
由物理学知, 当波在界面上产生反射时, 入射角α的正弦与 反射角α′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α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,
sin a c1
sin c2
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
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
t 2h v
Px= P0e-αx Ix= I0e-2αx
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;
α——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 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。
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14所示,
通过声压的测量可以间接求得媒质质点的振 动速度等其他物理量，所以声压成为普遍的 描述声波性质的物理量。
有关描述见教材P.179
2、 声功率和声强 当声波传播到原来静止的媒质时，一方面质点在平衡位置 附近来回振动，使媒质具有了振动动能，同时媒质中产生 了压缩和膨胀过程，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。声扰动传播走了，声能量 也随着转移，可以说声波的过程就是声能量的传播过程。 单位体积内的声能量称为声能密度。 将单位时间通过垂直于声传播方向面积 s 的平均声能量称 为平均声能量流或平均声功率，单位为 w 。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称为平均 声能量流密度或声强。声强也可以用单位时间、单位面积 的声波向前进方向比邻媒质所做的功表示。 人通常讲话的声功率只有约 10 ~5W ，而强力火箭的噪声 声功率高达 109W ，二者相差十几个数量级，所以使用对 数标度要比绝对标度方便，声学中普遍用对数来度量声压 和声强，称为声压级和声强级，其单位用分贝（ dB ）表 示。 有关描述见教材P.180
晶体管超声波接收电路
采用运放的超声波接收电路
三、 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。
率变差。
磁致伸缩换能器（探头）
铁磁物质在交变的磁场中沿着磁场方向产 生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。
磁致伸缩换能器（探头）是把铁磁材料置 于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替 变化即机械振动，从而产生出超声波。
1、 超声波产生电路图
采用脉冲变压器的超声波震荡电 路实例
2、 超声波接收电路
（2）心音导管尖端式传感器
图7-14 光导纤维导管尖端式血压计 它是将压力检测元件配置在心音导管端部的、
小型的探头形的传感器，用于测定血压、检测心 音和心杂音的发生部位。 其工作示意图如图 7-14所示
超声波传感器
一、
振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频 率在16~2×104 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 2×104 Hz的机械波, 称为超声波。 如图12。