超聲波傳感器

1、超聲波傳感器 姓名：陳坤 學(xué)號(hào)：1超聲波傳感器2主要內(nèi)容超聲波傳感器應(yīng)用與前景33總結(jié)與展望44超聲波及其物理性質(zhì)312超聲波及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng), 簡(jiǎn)稱波。頻率在162104 Hz之間, 能為人耳所聞的機(jī)械波, 稱為聲波; 低于16 Hz的機(jī)械波, 稱為次聲波; 高于2104 Hz的機(jī)械波, 稱為超聲波。 如下圖。 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí), 由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同, 在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 聲波頻率界限圖3超聲波及其物理性質(zhì)一、 超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換 由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同, 聲波的波型也不同。通常

2、有: 縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波; 橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波; 表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間， 沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播, 表面波隨深度增加衰減很快。 為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量, 應(yīng)多采用縱波。 縱波、 橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度, 氣體中聲速為344 m/s, 液體中聲速在9001900 m/s。 4超聲波及其物理性質(zhì)當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí), 除有縱波的反射、 折射外, 還發(fā)生橫波的反射和折射, 在某種情況下, 還能產(chǎn)生表面波。 二、 超聲波的反射和折射 聲波從

3、一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì), 在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射， 另一部分透射過界面, 在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射, 如下圖所示。 5超聲波及其物理性質(zhì)超聲波的反射和折射6超聲波及其物理性質(zhì)由物理學(xué)知, 當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí), 入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí), 入射角的正弦與折射角的正弦之比, 等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比, 即 三、 超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), 隨著傳播距離的增加, 能量逐漸衰減, 其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。 其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為

4、 Px= P0e-x Ix= I0e-2x 7超聲波及其物理性質(zhì)式中:Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng); x聲波與聲源間的距離; 衰減系數(shù), 單位為Np/m（奈培/米）。 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), 能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、 散射和吸收, 在理想介質(zhì)中,聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散, 即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的, 介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 8超聲波傳感器傳感器工作原理 利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、 探測(cè)器或傳感器。超聲波探頭按其

5、工作原理可分為壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等, 而以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷, 這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的: 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng), 從而產(chǎn)生超聲波, 可作為發(fā)射探頭; 而利用正壓電效應(yīng), 將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 可用為接收探頭。 9超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器10超聲波傳感器 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反

6、射、一個(gè)探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)，包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)

7、大，靈敏度高；反之，靈敏度低。11超聲傳感器的應(yīng)用與前景 超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域之中，下面我們簡(jiǎn)單說一下具體的應(yīng)用。一、 超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。 如果從發(fā)射超聲脈沖開始, 到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知, 就可以求出分界面的位置, 利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能, 傳感器又可分為單換能器和雙換能器。 單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器, 而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。12超聲傳感器的應(yīng)用與前景二、 超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測(cè)定原理是多

8、樣的, 如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳輸時(shí), 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的, 利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度, 再根據(jù)管道流體的截面積, 便可知道流體的流量。 三，超聲波測(cè)距儀四，超聲波探魚儀 五，超聲波探傷儀13總結(jié)與展望 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來(lái)越廣。在人類文明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術(shù)一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個(gè)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在人們可以想象的所有領(lǐng)域中，它幾乎無(wú)所不在。傳感器是世界各國(guó)發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，在各國(guó)有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門的共同努力下，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。但就目前技術(shù)水平來(lái)說，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問題；大力降