波式传感器讲简版.ppt

反射波
另一部分透射过界面，在 另一种介质内部继续传播。 这种情况称之为声波的折 射（透射）
介质1
α α’
介质2 O β
折射波
超声波的反射和折射
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由物理学知道 当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β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，即
sin c1 sin c2
《传感器原理》64学时
第 10 章 波式传感器
3学时
北京化工大学信息科学与技术学院测控系
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传感器原理64
第10章 波式传感器
第一节 超声波传感器 1.1 超声波及其物理性质 1.2 超声波传感器 1.3 超声波传感器应用
第二节 微波传感器 1.1 微波概述 1.2 微波传感器的原理和组成 1.3 微波传感器的应用
P0、I0 声源的声压和声强
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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。
声波的扩散 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、 介质的物理性质有关。
人耳能听到的声音（即可闻声波）频率约为十几赫兹至一万余赫兹 高于二万赫兹频率（2×104 Hz ）的机械波称为超声波
超声波传感器检测所用的超声波频率通常在几十万赫兹以上，这时它 波长较短 有很好的方向性 易于形成波束，它在介质传播时，与光波相似
当超声波由一种介质入传播到到另一种介质时，由于在两种介质中 传播速度不同，在两种介质的界面上会产生反射、折射和波型转换 等现象。
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1.1.3 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。 其声压 Px 和声强 Ix 的衰减规律为：
声压 Px
Px P0eax
声强 Ix
Ix
I
e2ax
0
式中：Biblioteka Baidu
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）
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。
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1.2 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进行测量的装置 称为超声波（换能器、探测器）传感器。
次声波
声波
音乐 语言
超声波 0.25×106 探测 20×106
微波
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011
声波的频率界限图
f (Hz)
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1.1.1 超声波的波型 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
纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的波
波式
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波式传感器
超声波传感器 微波传感器
振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。见下图。其频率在
次声波 低于16 Hz的机械波，称为次声波 声波 16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波 超声波 高于2×104~ 3×108 Hz的机械波，称为超声波 微波 频率在3×108~3×1011 Hz之间的波，称为微波
声波的反射系数 R
R
1
1
2 c2
1c1 2 c2
1c1
2
声波的透射系数 T 由上述各式可知
T
41c1 2c2 (1c1 2c2 )2
●若ρ1c1 >>ρ2c2时， 反射系数R≈1，透射系数T≈0
声波在界面上几乎全反射，透射极少
超声波传感器就是用超声波的全反射 原理完成测量工作的
入射波
反射波
介质1
介质2 O
折射波
超声波的反射和折射
如：水在20℃温度时，水的特性阻抗为ρ1c1 =1.48×106kg/(m2·s)， 空气的特性阻抗为ρ2c2= 0.000429×106 kg/(m2·s)， ρ1c1 >>ρ2c2，故超声波从水介质中传播至水气界面时（或超声波从空 气介质中传播至水气界面时），将发生全反射。
透射入第二种介质
2
R
Ir I0
cos
cos
2c2 1c1
T
It I0
41c1 2c2 cos2 (1c1 cos 2c2 )2
入射波
反射波
介质1
介质2 O
●若ρ2c2 >>ρ1c1， 反射系数R≈1，透射系数T≈0 则声波在界面上几乎全反射，透射极少
折射波
超声波的反射和折射
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当超声波垂直入射界面，即α=β= 0 时，则
ρ1、ρ2介质1和介质2的密度
介质 1 介质 2
α α’
O β
折射波
超声波的反射和折射
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当超声波垂直入射界面，反射角、折射角为零
即α=β= 0 时，则
声波的反射系数 R
R
1
1
2 c2
1c1 2 c2
1c1
2
声波的透射系数 T
T
41c1 2c2 (1c1 2c2 )2
由上述各式可知
●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，全部从第一种介质
横波 质点振动方向与传播方向垂直的波
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
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1.1.2 超声波的反射和折射
如下图所示。 声波从一种介质传播到另一种介质， 在两种介质的分界面上
一部分声波被反射， 这种情况称之为声波的反射
入射波
次声波
声波
音乐 语言
超声波 0.25×106 探测 20×106
微波
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011
声波的频率界限图
f (Hz)
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第一节 超声波传感器 1.1 超声波及其物理性质 1.2 超声波传感器 1.3 超声波传感器应用
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1.1 超声波及其物理性质
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声波的反射系数 R
R
Ir I0
cos
cos
2c2 1c1
入射波
反射波
声波的透射系数 T
T
It I0
41c1 2c2 cos2 (1c1 cos 2c2 )2
式中： I0, Ir, It α、β ρ1c1、ρ2c2
分别为入射波、反射波、透射（折射）波的声强 分别为声波的入射角和折射角 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