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* 第8章 超声波传感器 第8章 超声波传感器 8.1 超声波及其物理性质 8.2 超声波传感器 8.3 超声波传感器应用 8.1 超声波及其物理性质 8.1 超声波及其物理性质 波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2×104 Hz的机械波 微波：频率在3×108~3×1011 Hz之间的波 如图8-1所示。 图8-1 声波的频率界限图 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 8.1.1 超声波的波型及其传播速度 声波的类型有： 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；  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。 为了测量各种状态下的物理量, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在900~1900 m/s。  当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。 图8-2 超声波的反射和折射 8.1.2 超声波的反射和折射 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 （8-2） 8.1.3 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。其声压和声强的衰减规律为 （8-7） （8-8） 式中：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）。 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。 　　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。 8.2 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研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。 超声波探头（发送器、接收器）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：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头； 而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。 超声波探头结构如图8-3所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。 　　压电晶片多为圆板形， 厚度为δ。超声波频率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，当激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。 图8-3 压电式超声波传感器结构 8.3 超声波传感器应用 8.3.1 超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。 　　如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。 　　根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。 图8-4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图8-4（a）所示。 由于超