文档介绍：第十一章波式和射线式传感器
第一节超声波式传感器
振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在16~2×104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波;频率高于2×104 Hz的机械波, 称为超声波。
当超声波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, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。
一、超声波的波形及其物理性质
1、超声波波型及其转换
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。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。只能在固体中传播。
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。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型,在固体表面传播。
2、波型转换
当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时, 除有纵波的反射、折射外, 还发生横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。
3. 超声波的反射和折射
在两界面处,声波的传输与光传输类似,符合反射定律和折射定律。
C1与C2为声波在第一介质和第二介质中传播声速。
反射定律:入射波与反射波的波形相同,波速相等时:
折射定律:
超声波的反射和折射
4. 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
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
(11-2)
(11-3)
超声波传感器的应用
一、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。
超声波测距原理:
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,再反回到接收探头。
超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷,称为压电式超声波探头。它是实现声、电转换的装置。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, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。
超声波频率与厚度的关系:
——晶片沿x轴的弹性模量
——晶片密度
超声波频率f与其厚度δ成反比。
超声波探头结构
2、超声波液(物)位传感器
从探头发出超声波脉冲通过介质到达液面,经过反射后又被探头接收。测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和声波在介质中传播速度,可求出探头与液面之间的距离。实现液位(物位)的测量。根据发射和接收换能器的功能, 传感器又可分为单换能器和双换能器。