超声波传感器及应用

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，多采用纵波。
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纵 波
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横波
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表面波
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2.声速、波长与指向性
（1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于
之间的关系为
sinθ= 1.22λ/D
设超声源的直径D=20mm，射入钢板的
超声波（纵波）频率为5MHz，则根据上
式可得θ=4°，可见该超声波的指向性
是十分尖锐的。
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3.超声波的反射和折射
超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射，
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠 能发出和 听见超声 波。
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sin / sin = c1 / c2
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4.超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
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。
钢
7.8
46
5.9
3.23
铝
2.7
17
6.32
3.08
铜
8.9
42
4.7
2.05
有机玻璃 1.18
3.2
2.73
1.43
甘油
1.26
2.4
1.92
—
水（20℃） 1.0
1.48
1.48
—
油
0.9
1.28
1.4
—
空气
0.0013
0.0004
0.34
—
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（2）波长
超声波的波长λ与频率f 乘积恒等于声速c，
即
λ f =c
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（3）指向性
超声波声源发出的超声波束以一定的角 度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心 轴线上，超声波最强，且随着扩散角度 的增大而减小。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
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指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ
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超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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声波的波型
（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一 致的波。
（2）横波—质点振动方向垂直于传播方向的 波。
（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。
第9章 超声波传感器及应用
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主要章节
9.1超声波及其物理性质 9.2超声波探头及耦合技术 9.3超声波传感器的应用
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9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
声波频率的界限划分
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声波的分类 1.次声波
逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振
动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利
用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电
荷和电压。
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1.单晶直探头
用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。
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超声波探头结构示意
1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜楔块 10—试件 11—耦合剂
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超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。
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。
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9.2超声波探头及耦合技术
9.2.1 超声波探头
工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁 式
其结构不同，超声波探头又分为直探头、 斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探 头、冲水探头、水浸探头、空气传导探 头以及其他专用探头等，
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波的反射和折射
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（1）反射定律
入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波
速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速
相等时，入射角 等于反射角'。
（2）折射定律
入射角 的正弦与折射角 的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即
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各种超声波探头
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保Baidu Nhomakorabea膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
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接插件
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超声波探头中的压电陶瓷芯片
将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用
介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c
的乘积，即
Z=ρc
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常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温 度为0℃）
材料
密度 ρ(103kg·m-
1)
声阻抗 Z（
103MPa·s -1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
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2.双晶直探头
由两个单晶探头组合而成，装配在同一 壳体内。其中一片晶片发射超声波，另 一片晶片接收超声波。两晶片之间用一 片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以 隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。