超声波传感器的特性

空气中用超声波传感器的结构
如右图所示，采用双压电陶瓷
晶片结构。将双压电陶瓷晶片固定
安装在基座上，为了增强其效果， 在压电晶片上面加装了锥形振子， 最后将其装在金属壳体中并伸出两
屏蔽栅外壳 锥形振子
根引线。
双压电陶瓷晶片
基座
发送超声波时，圆锥形振子有
较强的方向性，因而能高效率地发
送超声波；接收超声波时，超声波
测距离
测料位
测流量
无损探伤
B-scan ultrasound imaging technology
测厚度
美国的维吉尼亚级潜艇
超声波传感器的特性
➢ 超声波概述 ➢ 超声波传感器的种类 ➢ 超声波传感器的工作原理 ➢ 超声波传感器的结构 ➢ 超声波传感器的特性 ➢ 超声波传感器的应用
（一） 超声波概述
声波频率
1830年法国Savart 音调极限实验：存在听不到的声音
次声
可听声
超声
超声是频率大于两万赫兹的声波。
蝙蝠的飞行本领
铁丝直径大于0.34mm 不碰撞
铁丝直径小于0.07mm 碰撞
回音定位
超声波的反射和折射
入射 波
反射 波
介质 1 介质 2
′
o
折射 波
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
声音的实质
机械振动在媒质中的传播。 （声速，波长，频率）
超声波的波型及其传播速度
当声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声 波的波型也不同。通常有：
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、液体和气体介质中传播；
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；
的振动集中于振子的中心，所以能
产生高效率的高频电压。
（三） 超声波传感器的特性 3.1 频率特性
接收超声波Leabharlann Baidu
发送超声波
3.2 指向性特性
3.3 温度特性 3.4 阻抗特性
阻抗
并联谐振
串联谐振
频率
通常发送传感器工作于输出最大的串联谐振频率，而 接收传感器工作于接收灵敏度最高的并联谐振频率；通过 实验发现，发送传感器的串联谐振频率与接收传感器的并 联谐振频率几乎一致。
金属 壳 吸收 块
保护 膜
超声波传感器的结构
超声波探头结构如图所示，它主要 由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护 膜、引线等组成。
导电 螺杆
压电晶片多为圆板形， 厚度为δ。超 接 线 片 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：降低晶片的机械品 质， 吸收声能量。 如果没有阻尼块，当 压 电 晶 激片 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。
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、 介质的性质和散射粒子的性质有关。
上述的ρ、Ba都是温度的函数，所以超声波在介质中的传播 速度随温度的变化而变化。声速随温度的增加而减小。
此外，水质、压强也会引起声速的变化。
在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系， 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 344 m/s ， 液 体 中 纵 波 声 速 在 900 ～ 1900m/s。
压电式超声波传感器的基本工作原理
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，其 中以压电式最为常用。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。
压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压， 元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式 传播，传送给超声波接收器。 超声波接收器是利用正向压电效应制成——即接收到的超声波促使接收 器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，就产生与超声 波频率相同的高频电压。 当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。
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。
（二） 超声波传感器的原理及结构
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 称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能材料在 电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射 现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的 固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会 产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面 。
sin c1 sin c2
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
Px P0 e ax
I x I 0e 2ax
式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强； x——声波测量点与声源间的距离； α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。
③ 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。
超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在 气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波传 播，其传播速度c为
c 1 Bn
式中：ρ——介质的密度；
Ba——绝对压缩系数。
因此超声波传感器在实际应用时，都是在谐振频率附 近使用。超声波接收头必须采用与发射头对应的型号，关 键是谐振频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收 效果，甚至无法接收。