传感器技术(超声波传感器)

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1、南京信息工程大学传感器技术传感器技术任课教师：刘佳Tel：13951754608Email：liujia@nuist.edu.cn信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波的概念振动在弹性介质内的传播称为波动。声波是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。根据声波频率的范围，声波可分为次声波、声波和超声波。�声波频率在16-2×104Hz之间、能为人耳所闻的机械波�次声波：频率低于16Hz的机械波�超声波：频率高于2×104Hz的机械波2信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波及其物理性质3信息与控制学院仪器系超声波传感器次声波次声波是频率低于16赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生

2、共振，7-8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。4信息与控制学院仪器系超声波传感器次声波美妙的音乐可使人陶醉5信息与控制学院仪器系超声波传感器超声波蝙蝠能发出和听见超声波。6信息与控制学院仪器系超声波传感器蝙蝠依靠超声波捕食7信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波的概念c超声波波长、频率与速度的关系为：λ=f超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。8信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波的波形由于声源在介质中施力方向与波在介质中

3、传播方向不同，声波的波型也有所不同。通常有：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、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。它只能在固体中传播。③表面波：质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波随深度增加衰减很快，只能沿着固体的表面传播。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。9信息与控制学院仪器系超声波传感器纵纵波波10信息与控制学院仪器系超声波传感器横波横波11信息与控制学院仪器系超声波传感器表面波表面波12信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波的传播速度纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介

4、质密度。气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为344m/s，液体中声速为900-1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系。通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。13信息与控制学院仪器系超声波传感器。�超声波的反射和折射14信息与控制学院仪器系超声波传感器。�超声波的反射和折射15信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波的衰减超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满足以下函数关系：−αxP=Pe0−2αxI=Ie0P、I-距声源x=0处的超声波声压和声强0016信息与控制学院仪器系超声波传感器�超

5、声波的衰减超声波在介质中传播，能量的衰减决定于超声波的扩散、散射和吸收。①声波扩散引起的衰减在理想介质中，超声波的衰减仅来自于超声波的扩散。由于声波扩散能量逐渐分散，使单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱，并且声压强也随之减弱。17信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波的衰减②散射引起的衰减声波在传播过程中遇到不同声阻抗介质组成的界面时，将产生散射，实际材料的金属结晶组织的不均性或界面的晶粒粗大引起的散射，使部分超声波能量以热能的形式损耗。③介质吸收引起的衰减由于介质的粘滞性而造成质点间的内摩擦，从而将消耗部分声能，并且介质的热传导及介质的稠密和稀疏部分之间的热交换都能导致声能

6、的损耗。18信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波传感器的工作原理要以超声波作为检测手段，必须能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。超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，以压电式最为常用。19信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波传感器的工作原理�压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷。根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器(发射探头)和接收器(接收探头)两种。20信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波传感器的工作原理�压电式超声波传感器压电式超

7、声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。21信息与控制学院仪器系超声波传感器�超声波传感器的工作原理�压电式超声波传感器压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生