内蒙古大学传感器与检测技术课件第9章超声波传感器

1、第9章 超声波传传感器9.1 超声波及其性质质19.2 超声波发发生法与振动动因子的设计设计9.3 超声波传传感器的结结构39.4 超声波传传感器的基本电电路4259.5 超声波传传感器的应应用概述 超声技术术是一门门以物理、电电子、机械及材料学为为基础础的、各行各业业都要使用的通用技术术之一。我国对对超声波技术术及其传传感器的研究十分活跃跃，目前超声波技术术已广泛应应用于冶金、船舶、机械、医疗疗等各个工业业部门门的超声清洗、超声焊焊接、超声加工、超声检测检测 和超声医疗疗等方面。 9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.1 超声波的频频率范围围 人听到响声是由于乐乐器的振动动，经过经过 周围围的空气，传传送到人耳，振动动耳膜，使听觉觉神经经感受到响声。音的高低取决于振动动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。一般人耳可听见见的声波数范围围为为16Hz20KHz，但此频频率范围围的界限与音的强度或个人听觉觉有关系，所以一般人耳的感音范围围大致可绘绘成如果9-1所示的关系图图。9.1 超声波及其性质超声波及其性质超声波的声波数下限当然也不易决定，通常将20KHz以上的音波称为为超声波（

2、Ultrasonic wave）。但是听到、听不到只是人耳的感觉问题觉问题 ，有时时为为了配合使用，也将频频 率降至10KHz， 但有时时也可能 将频频率升到 1000MHz。图图9-1 人耳感音频频率范围围9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.2超声波的种类类超声波的发发射方式不同，造成了超声波种类类的不同，大致上可 分 为为五类类，如图图所示，图图（a）的纵纵波 （Longitudinal Wave）又称压缩压缩 波 （Compression Wave），介质质粒子的振 动动与波的进进行方向一致，专专供强力超 声波的运用。 图图(b)为纵为纵 波，比起图图(a)的纵纵波，波速 慢了许许多，主要是因为为此类纵类纵 波是在 直径较较小的棒中传输传输 。9.1 超声波及其性质超声波及其性质 图图(c)为为横波（Transverse Wave）又称剪 断波（Shear Wave，S波）介质质粒子的 振动动与垂直波的进进行方向一致，常用于 超声波探勘计计等的计测计测 。 图图(d)为为表面波（Surface Wave）又称 Rayleigh 。 图图（e）为为弯曲波（Flexural

3、Wave， Bending Wave），在沿波进进行方向的中心线线上介质质粒子进进行横振动动，接近介质质表面的粒子进进行压缩压缩 、伸张张运动动。9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.3超声波的波速与波长长超声波的波速C、波长长、频频率f之间间有下列关系： C = f表9-1为为超声波在各种介质质中的波速，图图9-3所示为为超声波在空气、水、金属中的波长长与周期波数的关系，图图中以实线实线 和虚线线区分超声波的使用范围围。9.1 超声波及其性质超声波及其性质介质纵波速度105cm/sec密度g/cm3声音阻抗c105铝6.222.651.70钢5.817.84.76镍5.68.94.98镁4.331.740.926铜4.628.934.11黄铜4.438.53.61铅2.1311.42.73水银1.4613.61.93玻璃4.95.92.55.91.81聚乙烯2.671.10.924电木2.591.40.363水1.431.000.143变压器油1.390.920.128空气0.3310.00120.000042表9-1 超声波在各种介质质中的速度9.1 超声波及其性质超声波及其

4、性质图图9-3 空气、水、金属中的波长长及频频率9.1 超声波及其性质超声波及其性质由上所述可知，纵纵波的音速在常温空气中约约3.410 cm/s，在水中为为1.410 cm/s，铝铝中为为 6.2210 cm/sec，如果发发射一个超声波的频频率为为40KHz，则则可利用C = f求出，超声波在空气中，水中及铝铝中的波长长为为：空气中：水中：铝中：9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.4超声波的损损失理想情况下，超声波发发射出去后，会一边扩边扩 大，一边边直线线前进进，只要介质质没有吸收超声波的性质质，超声波的强度不论传论传 到任何地方都不会减弱。不过实际过实际 上超声波的强度随着距离的增加而逐渐渐减弱，其原因有二：一是随着距离的增加波面会扩扩大，从而造成扩扩散损损失，另外一方面，超声波会被传传播介质质吸收及散射，从而造成波动动能量的损损失。一般称为为吸收损损失，也称衰减。9.1 超声波及其性质超声波及其性质图图9-4所示即为为超声波在各类类介质质中的衰减情形，读读者在图图中将会发现频发现频 率愈低的超声波衰减愈小。图图9-4 超声波的衰减9.1.5 超声波的指向性超声波的指向

5、性9.1.5 超声波的指向性 如图图9-5所示，使一个半径为为R的圆圆 板波源呈活塞状振动动，发发射出具有 波长长的超声波，则则其指向角可以 表示为为sin=R。 例如从直径30mm的振动动因子， 对对油中发发射出1MHz 的超声波，使 得R =10，于是其指向角=4。可见见，欲使超声波角度集中，可减小或增大R，但一般以减小居多。 图图9-5 超声波的指向性9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.6 超声波的反射、透射与折射当超声波经过经过 性质质不同的介质质交界面时时，一部分会反射，其余的会穿透过过去。这这种反射或穿透的强度，由这这两个交界介质质的特性阻抗Z 决定。所谓谓特性阻抗即为为介质质的密度（）与音速（C）的乘积积。假设现设现 在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时时，如图图9-6，则则音波的反射率可用下式表示： 9.1 超声波及其性质超声波及其性质由上式可知两种介质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，其余的全部穿透过过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示： 图图9-6 超声波的反射与透射9.1 超声波及其性质超声波及其性质书书中表9

6、-2所示为为各种介质质的反射率。图图9-7 所示为为在不同介质间设质间设 厚度为为L的其它介质质，传传播超声波时时，若将遮断超声波，此时时的透射率T1 为为： 图图9-7 不同媒质间质间 的反射与透射9.1 超声波及其性质超声波及其性质 若邻邻接中间间介质质的左右介质质相同，即Z1Z2 时时，则则T1 可简简化为为： 式中K=2f/C2，Z1=1C1，Z2=2C2，Z3=3C3，f为为超声波的频频率。9.1 超声波及其性质超声波及其性质由上式可推论论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层间层 Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L愈小愈好），或厚度为为超声波半波长长的整数倍的板。若按此要领设计则领设计则 穿透率T1变变成：9.1 超声波及其性质超声波及其性质如图图9-8，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时时，超声波会发发生折射，令入射角为为i，折射角为为t，C1为为入射前的波速，C2为为折射后的波速，其关系可以下式表示： 图图9-8 超声波的折射9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.7超声波的空洞现现象 在液体中发发射强力超声波时时，若发发射的超声波为纵为纵 波，在液体中又发

7、发生负压过负压过 大现现象时时，负压负压 会将液体拉裂，发发生空孔，即空洞现现象。图图9-9所示为为空洞的发发生示意图图。此类现类现 象 具有氧化、搅搅拌、破坏等各种作用，所以有时时超声波也常常用来做氧化、还还原反应应及洗净净等工作。 图图9-9 空洞的发发生9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.8 超声波的衰减声波在介质质中传传播时时, 随着传传播距离的增加, 能量逐渐渐衰减。 其声压压和声强的衰减规规律为为： 、 距声源x处处的声压压和声强; x 声波与声源间间的距离; 衰减系数, 单单位为为Np/m（奈培/米）。 9.1 超声波及其性质超声波及其性质声波在介质质中传传播时时, 能量的衰减决定于声波的扩扩散、 散射和吸收。在理想介质质中，声波的衰减仅仅来自于声波的扩扩散, 即随声波传传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质质中的颗颗粒界面或流体介质质中的悬悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质质的导热导热 性、粘滞性及弹弹性滞后造成的, 介质质吸收声能并转换为热转换为热 能。 9.1 超声波及其性质超声波及其性质9.1.9超声波的干涉如果在一种介质质中传传播几个声波，于

8、是会产产生波的干涉现现象。由不同波源发发出的频频率相同、振动动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间间相遇时时，某些点振动动始终终加强，某些点振动动始终终减弱或消失，这这种现现象称为为干涉现现象。两个振幅相同的相干波在同一直线线上彼此相向传传播时时叠加而成的波称为驻为驻 波。每相距/2的这这些点上，介质质保持静止状态态，这这些点称为节为节 点，节节点之间对应间对应介质质位移最大的点称为为波腹。9.2 超声波发生法与振动因子的设超声波发生法与振动因子的设计计 目前较较常用的超声波发发生法大致如下表所示，表中分机械性振动动与电电气驱动驱动 两种，在本节节将对电对电 气驱动驱动 式超声波做详细详细 介绍绍。电电气驱动驱动 式超声波依驱动驱动 原理可分为压电为压电 式、电电伸缩缩式、磁伸 缩缩式等三种。驱动方法驱动原理振动子发生周期数KHz介质电气式压电式水晶Rochelle盐ADP20300000.210000.21000气体，液体，固体液体，固体液体，固体电伸缩式钛酸钡锆酸钛酸铅1010000液体，固体磁伸缩式镍AF合金Ferrite10-100气体，液体，固体机械式Pohlman笛

9、550液体Galton笛2100气体，液体Siren0.2250气体，液体9.2.1 压电式振动因子压电式振动因子 9.2.1压电压电 式振动动因子压电压电 式超声波是利用压电压电 晶体，加入电压电压后，产产生的自由振荡荡信号。所使用的振动动因子材料有三种，分别别是水晶、Rochelle盐盐及ADP（Am-monium Dihydrogen Phosphate），图图9-10所示为这为这 三类类材料的结结晶形态态。图图9-10 压电压电 材料的结结晶形态态9.2.1 压电式振动因子压电式振动因子表9-4所示为为各结结晶体的切削角度及其它电电气特性。 材料CUT振动样式电介质常数(esu)密度(g/cm3)周波长常数N(KHzcm)压电伸缩常数(mks)电气机械结合系数(%)水晶Rochelle盐ADP4545厚度纵纵2.530015.52.651.771.802851601600.050.090.1779.56528表9-4 压电压电 材料常数9.2.2 电伸缩式振动因子电伸缩式振动因子图图9-11 电电伸缩缩振动动子的振动动形态态9.2.2电电伸缩缩式振动动因子电电伸缩缩材料不同于水

10、晶类压电类压电 材料，可烧结烧结 任意形状、尺寸的振动动因子，图图9-11所示为为6种电电伸缩缩式材料常用烧结烧结 的形状。9.2.2 电伸缩式振动因子电伸缩式振动因子在电电伸缩缩材料的两电电极间间加入直流高电压电压 并使得正负变负变 化，此时时材料尺寸会有伸缩现缩现 象，因此会压缩压缩 空气，形成振荡荡，传传送出振动动信号。电电伸缩缩式超声波信号送出的形式和材料的形状有关，如图图9-11 所示，其形状不同，所产产生的信号振动动方式也不同。经经常使用的电电伸缩缩形式的材料有钛钛酸钡钡及锆锆酸钛钛酸铅铅两种。书书中表9-5为为材料特性及一般用途。9.2.3 磁伸缩式振动因子磁伸缩式振动因子9.2.3磁伸缩缩式振动动因子将镍镍等强磁性体做成棒状，置于磁场场中磁化，其长长度会沿磁化方向发发生变变化，此即磁伸缩现缩现象。磁伸缩现缩现 象依金属材质质的不同，较较常用的材质质有镍镍、alufer合金（AF 合金、AL12、Fe88）、ferrite烧结烧结 金属，其磁伸缩缩率各不相同，图图9-12所示为为各种形状的磁伸缩缩式振动动因子，表9-6为为其材料特性。 9.2.3 磁伸缩式振动因子磁伸缩式

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