《传感器原理及应用》课程教学资源（PPT课件讲稿）第十一章 波式传感器

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162×104Hz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;频率高 于2×104Hz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

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

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

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横波一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

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。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 （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。 反射定律:入射波与反射波的波形相同,波速相等时: a=a sin d 折射定律: sin Cl与C2为声波在第一介质和第二介质中传播声 速

3. 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。 2 1 ' sin sin c c = =     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：

介质I 介质I B 超声波的反射和折射

超声波的反射和折射

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 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= poe (11-2) 0e 2 (11-3) Px、Ⅰx—距声源x处的声压和声强; x—声波与声源间的距离 a—衰减系数

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。 x x x x I I e p p e   2 0 0 − − = = 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）

02超声波传感器的应用 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

10.2 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 E,一晶片沿x轴的弹性模量 26Vp—晶片密度 超声波频率f与其厚度δ成反比

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。 11 1 2 E f   = 超声波频率与厚度的关系： E11 ——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

234 b) 超声波探头结构

超声波探头结构

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

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