传感器与检测技术第八章超声波传感器ppt课件.ppt

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1、基本要求：8-1了解超声波的特性；8-2了解超声探头的构造和应用；8-3掌握超声探伤的方法。重点：超声波的特性难点：超声探伤的方法超声波传感器----利用超声波的定向反射和折射等特性,实现物理参数的测量.8.1超声波及其物理性质8.1声波知识振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，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10-1所示。频率在3×108~3×1011Hz之间的波，称为微波。2、超声波在液体、固体中衰减很小，所以穿透本领大。对于光不透明的固体，而超声波

2、却可穿透几十米，碰到杂质和界面有显著的反射。超声波的特性：1、由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波频率越高越接近光波的这类特性，如符合反射定律、折射定律。8.1.1超声波的波型及其传播速度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。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、液体和气体介质中传播；②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰

3、减的波，表面波只在固体的表面传播。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8-1为蒸馏水在0～100℃时声速随温度变化的数值。（8-1）表8-10～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化从表8-1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

4、，横波及其表面波三者的声速有一定的关系：C纵波=2C横波、C表面波=C横波×90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。8.1.2超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图8-2所示。图8-2超声波的反射和折射由物理学知：c1和c2分别为反射波和折射波的速度。(8-4)式中：I0,Ir,It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；α、β——分别为声波的入射角和折射角；ρ1c1、ρ2c2——分别为

5、两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。(8-3)声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则(8-6)(8-5)由式（8-5）和式（8-6）可知：若ρ2c2>>ρ1c1（性质相差很大的介质）,反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当ρ1c1>>ρ2c2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。若ρ2c2≈ρ1c1（性质相同的介质），则反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；如：在20℃水温时，水的特性阻抗为ρ1c1=1.48×106kg/(

6、m2·s),空气的特性阻抗为ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s),可知ρ1c1>>ρ2c2,故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。8.1.3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，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为（8-7）（8-8）式中：Px、Ix——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/cm（奈培/厘米）。8.2超声波传感器超声波传感器又可称为超声波换能器、探测器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其

7、中以压电式最为常用。压电式超声波探头：它是利用压电材料的逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。超声波探头结构如图8-3所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。图8-3压电式超声波传感器结构阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。8.3超声波传感器应用8.