超声波传感器详解

地震发生后，能量通过波的形式传递，主要体现在纵波（P波）和横波（S波）上。 P波的传递速度快，达到每秒6公里左右，可通过固体、液体和空气介质传递，而横 波的传递速度慢一些，大约在每秒3.5公里，主要通过固体介质传递，两者属于体波 的范畴。与体波相对应的是表面波，面波沿着地表传播，因此从破坏力上看，表面 波的威胁最大，其次是横波和纵波。
压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，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7章 超声波传感器
压电式
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 信号停止时， 晶片将会 继续振荡， 加长超声波 的脉冲宽度，使分辨率变 差。
R
1
2c2 1c1
1
2c2 1c1
2
,
T 41c1 2c2 (1c1 2c2 )2
若ρ2c2≈ρ1c1，R≈0，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ρ2c2>>ρ1c1, R≈1，则声波几乎全反射，透射极少。 当ρ1c1>>ρ2c2，R≈1，声波几乎全反射。 在20℃水温时，故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。
L—入射纵波； L1 —反射纵波； L2 —折射纵波 S1 —反射横波； S2—折射横波。
第7章 超声波传感器 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。
Px P0eax， I x I0e2ax
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/cm（奈培/厘米）。
第7章 超声波传感器
超声波的波型及其传播速度
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 现象。
• 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气） • 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固） • 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深
E — 杨氏模量；
— 泊松比；
G —剪切弹性模量。
第7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。以水为 例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加， 在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减 小。此外，水质、压强等也会引起声速的变化。
在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系： 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344m/s，液体中纵波声速为900～ 1900m/s。
第7章 超声波传感器
声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:
2
R
Ir I0
c os
cos
2c2
1c1
T
It I0
41c1 2c2 cos2 (1c1 cos 2c2 )2
I0, Ir, It——分别为入射波、反射波、 ρ1c1、ρ2c2——分别为两介质的声阻抗。
当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则
金属壳 吸收块
导 电 螺杆 接线片
保护膜
压 电 晶片
压电式超声波传感器结构
第7章 超声波传感器 磁致伸缩式
d d
~
~
磁致伸缩式超声波传感器:图利9.3用.2铁磁磁致材伸料缩的超声磁波致发伸生器缩效应原理来工作的
•Hale Waihona Puke Baidu磁致伸缩式超声波发生器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。
第7章 超声波传感器
7.2 超声波传感器
能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声 波传感器，也称为超声波换能器或超声波探测器。
• 应用： 超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、
液位测量、超声清洗、超声医疗等。 • 特点： 精度高，被测物体不受影响，使用寿命长 • 结构： 直探头、斜探头、双探头和液浸探头 • 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式
第7章 超声波传感器
(3) 波型转换 当声波以某一角度入射到第二介
L
1
S1 2
L1
质（固体）的界面上时,除有纵 波的反射、折射以外，还会发生
介质1
界面
横波的反射和折射
介质2
L2
如果第二介质为液体或气体，则仅
S2
有纵波，而不会产生横波和表面波。
（1）纵波全反射：折射波中便只有 横波存在 （2）横波全反射：介质的分界面上 只传播表面波。
取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。
声速＝ 弹性率 密度
在气体和液体中，由于不存在剪切应力仅有纵波的传播，
其传播速度c为
c 1
Bn
ρ—— Bn——绝对压缩系数。
在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为
横波 c E 1 G
2(1 )
表面波 c 0.9 G
纵波 c E 1 (1 )(1 2)
声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬浮
粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。 吸收衰减：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7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7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7章 超声波传感器
（1）反射定律 当波速一致时
＝ '
（2）折射定律
sin c1 sin c2
入射波
介质1 介质2
反射波 ′
界面
折射波
c1—入射声波速, c2—折射声波速
度增加而迅速衰减。（固体表面）
第7章 超声波传感器
• 纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、
气）
• 横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）
• 表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传
播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器
超声波的传播速度