《传感原理与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第13章 超声波传感器

第13章超声波传感器超声学是一门学科已有几十年历史,应用很广.超声波可用于不同参数和测量,也可用于加工和处理技术阮2009-12spruan@126.com

超声学是一门学科,已有几十年历 史,应用很广.超声波可用于不同参数 和测量,也可用于加工和处理技术. 第13章 超声波传感器 阮 spruan@126.com 2009-12

超声波的物理性质S13.1.走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：高于2X104Hz的机械波,称为超声波次声波超声波声波微波音乐0.25×10620X10探测语言101103105102104106f/Hz107阮2009-12spruan@126.com

§13.1 超声波的物理性质 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; 高于2×104 Hz的机械波, 称为超声波。 阮 spruan@126.com 2009-12

一、超声波的传播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纵波一一质点振动方向与波的传播方向一致的波;横波一一质点振动方向垂直于传播方向的波2)3表面波一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阮2009-12spruan@126.com

一、 超声波的传播 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; 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。 阮 spruan@126.com 2009-12

为了测量各种状态下的物理量，应多采用纵波。纵波、横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度，气体中声速为344m/s.液体中声速在900~1900m/s。 钢铁中约为5000m/s。一般固体和但空气液体中声速随温度的升高而降低中的超声波相反V = 20.067VT阮2009-12spruan@126.com

为了测量各种状态下的物理量, 应多 采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度 取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体 中声速为344 m/s, 液体中声速在900~1900 m/s。 钢铁中约为5000m/s 。一般固体和 液体中声速随温度的升高而降低. 但空气 中的超声波相反: V = 20.067 T 阮 spruan@126.com 2009-12

二、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，介质1介质IB阮2009-12spruan@126.com

二、 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,。 阮 spruan@126.com 2009-12

三、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P= Pre-Ad/2I= Ise-Add:介质的厚度：A：介质对超声波能量的吸收系数特点：方向性好，定向传播阮2009-12spruan@126.com

三、 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。 P = P0 e -Ad/2 I = I0 e -Ad d: 介质的厚度; A: 介质对超声波能量的吸收系数. 特点: 方向性好,定向传播. 阮 spruan@126.com 2009-12

§13.2 超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的 装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。 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，而以压电式最为常用。 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这—— 种传感器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，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将 超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。 阮 spruan@126.com 2009-12

§13.2 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的 装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。 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, 而以压电式最为常用。 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这 种传感器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, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将 超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 阮 spruan@126.com 2009-12

超声波探头结构如下图所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与其厚度8成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如无阻尼块，当激励脉导电螺杆冲信号停止时，晶片会接线片金属壳继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率吸收块变差。压电晶片保护膜阮2009-12spruan@126.com

超声波探头结构如下图所示, 主要由压电晶片、 吸收 块（阻尼块）、 保护膜组成。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。阻尼块的作用是降低晶片的机 械品质, 吸收声能量。 如无阻尼块, 当激励脉 冲信号停止时, 晶片会 继续振荡, 加长超声波 的脉冲宽度, 使分辨率 变差。 阮 spruan@126.com 2009-12

超声波探头阮2009-12spruan@126.com

超声波探头 阮 spruan@126.com 2009-12

一.超声波探伤缺陷Y（b）有缺陷时超声波的反射及显示波形(a）无缺陷时超声波的反射及显示波形超声波探伤图6-4优点：灵敏度高，速度快，成本低阮2009-12spruan@126.com

一. 超声波探伤 优点: 灵敏度高,速度快,成本低. 阮 spruan@126.com 2009-12