5.4 超声波传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（电工版）

5 位移与物位传感器 5.1 电位器式传感器 5.2 电感式传感器 5.3 电容式传感器 5.4 超声波传感器 5.5 数字式位置传感器 5.4 接近开关 蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食 导入 导入 5.4 超声波位移传感器 CONTENT 01 超声波的物理性质 02 超声波传感器的材料及结构 03 超声波传感器的应用 5.4.1超声波及其物理性质 01 5 1.1 机械波的分类 次声波是频率低于20赫兹的声波，次声波的特点是波长大、传播远、穿透力强。人耳听不到，但可与人体器官发生共振，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。 　 1）次声波 6 1.1 声波的分类 可闻声波其频率在20Hz~20kHz之间，能为人耳所闻的机械波。 　 2）可闻声波 美妙的音乐，可以使人心情愉悦。 7 1.1 声波的分类 超声波是指高于20kHz的机械波。（其中频率在3×108~3×1011 Hz之间的波又称为微波） 超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。 　 3）超声波 8 1.2 超声波的波形 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（Longitudinal Wave）：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(Transverse Wave)：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；  9 1.2 超声波的波形 ④板波(Plate wave, Lamb Wave):声波传播在当板较薄时，板的两个边界面都会有影响，声波在两个自由边界上均会发生反射，叠加后形成。兰姆波又分为对称型(S型)和非对称型(A型)，指因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波知组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动。 ③ 表面波（Surface Wave）：质点的振动介于横波与纵波之间，在固体表面的平衡位置作椭圆轨迹沿着固体的表面向前传播的波，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 板波示意图。上方为s模，下方为a模。 10 1.3 声速、波长及指向性 　　　　　　　 1）声速 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； Bn——绝对压缩系数。  上述的ρ 、 Bn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。 11 1.3 声速、波长及指向性 另外，声阻抗Z是描述介质传播声波特性的一个物理量，介质的声阻抗为介质密度ρ与声速C的乘积，即 Z＝ρC 在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为 E — 杨氏模量；  — 泊松比； G —剪切弹性模量。 纵波 横波 表面波 12 1.3 声速、波长及指向性 2）波长　超声波的波长λ与频率f的乘积等于声速C 　　　　　　　 C＝λf　　 3）指向性　超声波声源发出的超声波束是以一定的角度向外扩散的。如右图所示。在声源的中心轴线上声强最大，随着扩散角度的增大声强逐步减小。半扩散角、声源直径D以及波长λ之间的关系为： sinθ＝1.22λ /D　 13 1.4 超声波的反射与折射 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形相同，波速相等时，反射角α′等于入射角α。 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波速C1与折射波波速C2之比，即 入射波  ′ 界面 介质1 介质2 反射波 折射波 14 1.4 超声波的反射与折射 3）反射系数　反射声强Ir与入射声强Ii之比，称为反射系数r，即 r= = 当超声波垂直入射时，α＝β＝00，上式可简化为 r= 由上式可知，当两种介质的声阻抗相差越悬殊，反射系数越接近于1，即反射能力就越强,折射能力相对越弱。 4）折射系数　折射声强Ip与入射声强Ii之比称为折射系数p，p=1-r 15 1.5 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。其声压和声强的衰减规律为 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）。 声波衰减原因： 扩散衰减：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减：超声波在介质中