第九超声波传感器.ppt

第9章 超声波传感器 概述 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。 我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面。 9.1 超声波及其性质 9.1.1 超声波的频率范围 人听到响声是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。 声音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。一般人耳可听见的声波数范围为16Hz—20KHz，但此频率范围的界限与音的强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如果9-1所示的关系图。 超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为超声波（Ultrasonic wave）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频率降至10KHz，但有时也可能将频率升到1000MHz。 9.1.2超声波的种类 超声波的发射方式不同，造成了超声波种类的不同，大致上可分为五类，如图所示，图（a）的纵波（Longitudinal Wave）又称压缩波 （Compression Wave），介质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强力超声波的运用。图(b)为纵波，比起图(a)的纵波，波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径较小的棒中传输。     图(c)为横波（Transverse Wave）又称剪断波（Shear Wave，S波）介质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常用于超声波探勘计等的计测。 图(d)为表面波（Surface Wave）又称Rayleigh 。 图（e）为弯曲波（Flexural Wave，Bending Wave），在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。 9.1.3超声波的波速与波长 超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系： C = f×λ 表9-1为超声波在各种介质中的波速，图9-3所示为超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。 由上所述可知，纵波的音速在常温空气中约3.4×104cm/s，在水中为1.4×105cm/s，铝中为 6.22×105cm/sec，如果发射一个超声波的频率为40KHz，则可利用C = f×λ求出，超声波在空气中，水中及铝中的波长λ为： ●空气中： ●水中： ●铝中： 9.1.4超声波的损失 理想情况下，超声波发射出去后，会一边扩大，一边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。 不过实际上超声波的强度随着距离的增加而逐渐减弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失，另外一方面，超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失。一般称为吸收损失，也称衰减。 图9-4所示即为超声波在各类介质中的衰减情形，读者在图中将会发现频率愈低的超声波衰减愈小。 9.1.5 超声波的指向性 如图9-5所示，使一个半径为R的圆板波源呈活塞状振动，发射出具有λ波长的超声波，则其指向角θ可以表示为sinθ=λ／R。例如从直径30mm的振动因子，对油中发射出1MHz 的超声波，使得λ／R =10，于是其指向角θ=4°。可见，欲使超声波角度集中，可减小λ或增大R，但一般以减小λ居多。      9.1.6 超声波的反射、透射与折射 当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z 决定。 所谓特性阻抗即为介质的密度（ρ）与音速（C）的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，如图9-6，则音波的反射率γ可用下式表示： 由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示： 书中表9-2所示为各种介质的反射率。图9-7 所示为在不同介质间设厚度为L的其它介质，传播超声波时，若将遮断超声波，此时的透射率T1 为： 若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1＝Z2 时，则T1 可简化为： 式中K=2πf/C2，Z1=ρ1C1，Z2=ρ2C2，Z3=ρ3C3，f为超声波的频率。 由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且