第8章 超声波传感器.ppt

第4章 超声波传感器 　　超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础的通用技术之一，主要涉及超声波的产生、传播和接收技术。超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：功率超声和检测超声。功率超声是指利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用；检测超声是指利用超声波获取若干信息。无论是功率超声还是检测超声的应用，均需借助于超声波传感器（即超声换能器或探头）来实现。 　　目前，超声波技术已经广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，取得了良好的社会效益和经济效益。 4.1 超声检测的物理基础 　　振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz之间，人耳能听见的机械波称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波称为超声波；频率在3×108Hz～3×1011Hz之间的波称为微波。波的频率界限如图4-1所示。 图4-1 声波的频率界限 4.1.1 超声波的波形及其传播速度 　　根据声源在介质中的施力方向与波在介质中传播方向的不同，可将声波分成以下三种类型： 　　1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。纵波能在固体、液体和气体介质中传播。 　　2）横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波。横波只能在固体介质中传播。 　　3）表面波：质点的振动介于横波和纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只能在固体的表面传播。 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。由于气体和液体的剪切模量为零，故超声波在气体和液体中没有横波和表面波，只能传播纵波。气体中的声速为344m/s、液体中的声速在900～1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。 4.1.2 超声波的物理性质 　　当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波。如图4-2所示。 　　1）反射定律 　　入射角与反射角的正弦之比等于入射波速度与反射波的速度之比，即 （4-1） 　　如果反射波与入射波同处于一种介质时，由于波速相同，则反射角等于入射角。 　　2）折射定律 　　入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比，即 2 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。在平面波的情况下，距离声源处的声压和声强的衰减规律如下： 声波在介质中传播时，能量的衰减程度与声波的扩散、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，即随着声波传播距离的增加，单位面积内声能将要减弱。散射衰减是声波在固体介质中颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮粒子使超声波散射。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。吸收随声波频率的升高而增加。晶粒越粗，频率越高，则衰减越大。最大探测厚度往往受衰减系数的限制。通常以dB/cm为单位来表示衰减系数。在一般探测频率上，材料的衰减系数在一到几百之间。如水及其他低衰减系数材料的 在（1～4）×103dB/mm之间。 　 3 超声波的波形转换 　　当超声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上，除有纵波的反射和折射外，还有横波的反射和折射，如图4-3所示。在一定的条件下，还能产生表面波。 式中， —入射角； —纵波与横波的反射角； —纵波与横波的折射角； —入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度； —反射介质与折射介质内的横波速度。 　 如果第二介质为液体或气体，则仅有纵波，不会产生横波和表面波。 4.2 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而制成的装置称为超声波传感器，又称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器可以实现声能和电能的互换。以超声波作为检测技术手段，必须要产生超声波和接收超声波。 　　　超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式超声波传感器应用最为广泛。 4.2.1 压电式超声波传感器 　　　压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理