超声波传感器(上)详解.ppt

8.1 超声波及其物理性质 8.2 超声波传感器 8.3 超声波传感器的应用 ; 超声波的基本特性 超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础、应用十分广泛的通用技术之一。目前，超声波技术广泛应用于冶金、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，并取得了很好的社会效益和经济效益。因此，我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃。在国民经济中，对提高产品质量、保障生产安全和设备安全运行、降低生产成本、提高生产效率等具有重要的意义。 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：利用超声波使物体或物件发生变化的功率效应，称之为功率超声；利用超声波获取若干信息，称为检测超声。这两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器(或称为换能器、或探头)来实现。 ;一般说来，人们可听到的声音频率范围大约为20Hz～20kHz，即为可听声波。超过此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，利用这种性质就可制成超声波传感器，系统中就是利用了高频超声波反射能力强的特点，来实现距离的测量。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，一般为340 m/s，这就使得超声波传感器的使用变得非常简单。 超声波是高于听觉频率阈值的机械振动，超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。;3. 超声波对超声场产生的作用(效应) (1) 机械作用 超声波在传播过程中，会引起介质质点交替地压缩与伸张，组成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运动，位移虽然不大，但与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大，有时超过重力加速度的数万倍。这样大的加速度足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用。 (2) 空化作用（清洗、分散、粉碎效应） 在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为声空化。这种声空化现象是超声学及其应用的基础之一。 液体产生空化作用与介质的温度、压力、空化核半径、含气量、声强、粘滞性、频率等因素有关。一般情况下、温度高易于空化；液体中含气高、变化阀位低，易于空化；声强高也易于空化；频率高，空化阀值高，不易于空化。例如，在15kHz时，产生空化的声强只需要0.16～2.6W/cm；而频率在500kHz时，所需要的声强则为100～400 W/cm。 在空化中，气泡闭合时所产生的冲击波强度最大。局部压力可达到上千个大气压，由此足以看出空化的巨大作用和应用前景。;(3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也是有能量吸收。同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度升高值更大，这是因为分界面上特性阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间的相对摩擦而发热。 超声波的热效应在工业、医疗上都得到了广泛应用。超声波除了上述几种作用（效应）外，还有声流效应、触发效应和弥散效应，它们都有很好的应用价值。 ;第八章 超声波传感器;超声波物理基础;超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。;书上振荡表示：;表面波; 一、 超声波的波形及其转换 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同, 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;  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。 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, 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