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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 9.1 超声波及其性质 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 分纵波、纵波（压缩波）、横波、表面波、弯曲波 9.1 超声波及其性质 质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。 9.1 超声波及其性质 ◆由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。 9.1 超声波及其性质 如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为θi，折射角为θt，C1为入射前的波速，C2为折射后的波速，其关系可以下式表示： 9.1 超声波及其性质 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。 例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。 、 ——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/m（奈培/米）。  9.2.1 压电式振动因子 压电晶体： 压电效应、逆压电效应 9.2.3 磁伸缩式振动因子 超声波接收器原理 在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。 一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。 压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。 1、超声波测距原理： 超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。 2、超声波探头材料 常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。 工作原理：利用压电材料的压电效应。 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。 利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。 超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。 耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。 空气超声探头 以空气为传导介质的超声探头。锥形共振盘：提高发生效率；阻抗匹配器：提高接受效率。 超声波流量计 测量流量原理 时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差?t，可得到流体的平均速度及流量。 超声波流量计现场使用 同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符“1”，离开的时候就唱音符“ 7”了。 1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效应。 模拟实验 让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通过（图甲）。这种情况下的“过人频率”是9人／秒；如果观察者逆着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。 超声波情况相似 当波源和观察者相对静止时，1s内通过观察者的波峰（或密部）的数目