波式和射线式传感器

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1、第十一章波式和射线式传感器第一节超声波式传感器第二节微波式传感器第三节射线式传感器自然界的各种各样的波动,按其性质(力的作用)基本上分为两大类:电磁波和机械波。电磁波是由于电磁力的作用产生的,是电磁场变化在空间的传播过程。它传播的是电磁能量,在真空中传播的速度为3×108m/s。电磁波依其频率可分为无线电波、红外线、可见光、紫外光、X射线、γ射线和宇宙射线。机械波是由于机械力(弹性力)产生的机械振动在介质中的传播,它传播的是机械能量,并且仅能在介质中的传播。自然界的机械波依频率可分为三大类:次声波、声波和超声波。频率低于16Hz的波动称为次声;频率在20Hz～20kHz之间的波动称为声(音)

2、,频率在20kHz以上的波动称为超声。人耳可听到声(音),但听不见次声与超声。第一节超声波式传感器一、超声波及其物理性质频率在16～2×104Hz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。如图一般诊断用超声波频率为1～10MHz,而最常用的是2.5～5MHz超声波。.基本原理超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波从一种介质入射到另一种介质时,在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。另外,当超声波碰到流体中的杂质或分界面

3、时会产生显著的反射回波,碰到活动的物体能产生多普勒效应。根据这两种现象,可以制造两类不同的超声波流量计这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。超声波时间变化法　　利用超声波的传播速度随流体的流速变化而发生变化的原理,通过测超声波脉冲传播线路的平均流速就可测量流速。超声波多普勒法　　利用流体中的微小杂质(反射物体)的移动速度所产生的超声波多普勒效应,通过测超声波束交差区域的流速(相当于点的流速)就可测量流速1.超声波的波型及其转换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。①纵波：质点振动方向与波

4、的传播方向一致的波，称为纵波。（固体、液体和气体中传播）②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。（固体中传播）③表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。（固体的表面传播）超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；Ba——绝对压缩系数。上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化，表10-1为蒸馏水在0～100℃时声速随温度变化的数值。（10-1）0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化0～10

5、0℃范围内蒸馏水声速随温度的变化可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。2.超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一介质，在两介质的分界面上将发生反射和折射，见图(1)反射定律入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角α等于反射角α′

6、。(2)折射定律入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波中介质的波速c1与折射波中介质的波速c2之比，即3.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。其声压和声强的衰减规律如下：px,lx——平面波在x处的声压和声强；p0,l0——平面波在x=0处的声压和声强；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，取决于声波的扩散、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，就是随着声波传播距离的增加，在单位面积内声能将要减弱。散射衰减就是声波在固体介质中颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮粒子使超声波散射。而声波的吸收是由介质

7、的导热性、粘滞性及弹性滞后等造成的。吸收随声波频率的升高而增高。二、超声波传感器的应用1.超声波传感器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。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，再返回到接收探头，这就是超声波测距原理。超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探