9.1 超声波传感器（课件）-《传感器与检测技术》同步教学（机械工业版）

第9章 波式和辐射式传感器 9.1 超声波传感器 超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置，又称为超声波换能器或超声波探头，它是利用超声波产生、传播及接收的物理特性工作的。超声波传感器在医疗中的应用已经家喻户晓，此外，还广泛应用于超声清洗、超声加工、超声检测等多个方面。 9.1.1 超声波的物理基础 1.超声波的概念和波形 机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz~20 kHz ，即为声波，超出此频率范围的声音，20 Hz以下的声音称为次声波，20 kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz~8kHz。 声波的波形： 1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。 2）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波。 3）表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。 2.声速、波长与指向性 （1）声速 介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即 由于气体和液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。 （2）波长 超声波的波长λ与频率ƒ乘积恒等于声速c，即 （3）指向性 在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。指向角θ与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为 3.超声波的反射和折射 超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，称为反射波，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，则称为折射波。这两种情况分别称之为声波的反射和折射。 （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，入射角α等于反射角α＇。 （2）折射定律 入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比，即 （3） 超声波的衰减 超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体次之，固体吸收最小而衰减最小 9.1.2 超声波的发生与接收 1．压电式超声波发生器 压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。在压电元件上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波。 压电材料的固有频率与晶片厚度d有关，即 根据共振原理，当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。 压电式超声波发生器可以产生几万赫兹到几十兆赫兹的高频超声波，产生的声强可达10 W/cm2。 2.磁致伸缩超声波发生器 铁磁性物质在交变的磁场中，顺着磁场方向产生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。 磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。 磁致伸缩超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。 3.超声波的接收 一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作。 当超声波作用于压电晶片时，晶片产生正压电效应而产生交变电荷，经电压放大器或电荷放大器放大，最后记录或显示结果。 磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用于磁致伸缩材料时，使材料伸缩，引起它的内部磁场（即导磁特性）的变化。 9.1.3超声波探头 超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。 按作用原理不同，超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等方式。 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头。它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。 根据其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等。 图9-6 超声波探头结构示意图 a）单晶直探头 b） 双晶直探头 c）斜探头 1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜锲块 10—试件 11—耦合剂 1.单晶直探头 压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分辨率。 2.双晶直探头 它是由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之