聲波式傳感器第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二7.1聲/超聲波傳感器7.1.1聲/超聲波及其物理性質振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于16Hz的機械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機械波，稱為超聲波,如圖下所示。頻率在3×108~3×1011Hz之間的波，稱為微波。第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

頻率高、波長短、繞射現象??；方向性好、能夠成為射線而定向傳播；對液體、固體的穿透本領很大，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中傳播速度不同，在介質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現象。碰到活動物體能產生多普勒效應；

傳播速度取決于媒質，與超聲波頻率無關。超聲波的特點第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二1.聲/超聲波的波型及其傳播速度

聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；②橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播；③表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面傳播，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只能在固體、中傳播。為了測量各種狀態下的物理量多采用縱波。超聲波的頻率越高，與光波的某些性質越相似。第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質的密度；

Ba——絕對壓縮系數。上述的ρ、Ba都是溫度的函數，使超聲波在介質中的傳播速度隨溫度的變化而變化，表7-1為蒸餾水在0～100℃時聲速隨溫度變化的數值。（7-1）第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二表7-10～100℃范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

從表7-1可見，蒸餾水溫度在0～100℃范圍內，聲速隨溫度的變化而變化，在74℃時達到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質、壓強也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通常可認為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二2.聲/超聲波的反射和折射

聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩個介質的分界面上一部分聲波被反射,另一部分透射過界面，在另一種介質內部繼續傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖7-2所示。第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-2超聲波的反射和折射第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當波在界面處產生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即（7-2）聲波的反射系數和透射系數可分別由如下兩式求得:(7-3)第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二(7-4)式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強；

α、β——分別為聲波的入射角和折射角；

ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二當聲/超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則(7-6)(7-5)第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

由式（7-5）和式（7-6）可知，若ρ2c2≈ρ1c1，則反射系數R≈0，透射系數T≈1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質透射入第二介質；若ρ2c2>>ρ1c1,反射系數R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。當ρ1c1>>ρ2c2時，反射系數R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20℃水溫時，水的特性阻抗為ρ1c1=1.48×106kg/(m2·s),空氣的特性阻抗為ρ2c2=0.000429×106kg/(m2·s),ρ1c1>>ρ2c2,故超聲波從水介質中傳播至水氣界面時，將發生全反射。第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二3.聲/超聲波的衰減

聲壓:介質中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差稱為聲壓。單位為Pa，1Pa=1N/m2

聲強:又稱為聲波的能流密度，即單位時間內通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量。

聲強是一個矢量，它的方向就是能量傳播的方向，聲強的單位是W/m2。

聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規律為（7-7）（7-8）式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數，單位為Np/cm（奈培/厘米）。第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質中傳播時，固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波產生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數量、介質的性質和散射粒子的性質有關。吸收衰減是由于介質粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成質點間的內摩擦，從而使一部分聲能轉換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。

第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二7.1.2超聲波傳感器

利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的。壓電式超聲波發生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波。當外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產生共振，此時產生的超聲波最強。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。

第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二由于用途不同，壓電式超聲波傳感器有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲波探頭結構如圖7-3所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時，晶片將會繼續振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。

第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-3壓電式超聲波傳感器結構第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

幾種典型超聲波探頭結構

第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二磁致伸縮式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應原理來工作的。磁致伸縮式超聲波發生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場（即導磁特性）發生改變。根據電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波傳感器的典型應用各種場合的距離測量；生產線上的工件計數；接近開關；倒車報警裝置；機器人自動避障裝置；超聲波液位/物位計；自動門開關裝置；液體、氣體的濃度和流量檢測；超聲波清洗；超聲波霧化；探傷、測厚、測密度；醫療器械、美容儀、按摩儀

無損探傷第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波測厚圖13.4脈沖回波法檢測厚度工作原理第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。如果從發射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。根據發射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發射和接收各由一個換能器擔任。第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

圖7-4給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意圖。超聲波發射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳播，如圖7-4（a）所示。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖7-4（b）所示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-4幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

對于單換能器來說，超聲波從發射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則（7-9）（7-10）式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質中傳播的速度。第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

對于如圖7-4所示雙換能器，超聲波從發射到接收經過的路程為2s，而（7-11）因此液位高度為（7-12）式中：s——超聲波從反射點到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發射到接收的時間間隔，便可以求得待測的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發生波動，便會產生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為±0.1%。第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法等。但目前應用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據管道流體的截面積，便可知道流體的流量。第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如圖7-5所示。如設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則（7-13）（7-14）第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二圖7-5超聲波測流量原理圖第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時間差為（7-15）由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即（7-16）第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

頻率差法測量流量原理：

A、B是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發射器與接收器用。首先由A發射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被B接收，此信號經放大后再次觸發A的驅動電路，使A發射第二個聲脈沖。緊接著，由B發射超聲脈沖，而A作接收器，可以測得A的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得B的脈沖重復頻率為f2。順流發射頻率f1與逆流發射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。BA第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

發射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二多普勒（效應）法第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測的流體種類很多，不論是非導電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業用水、農業用水等進行測量。還適用于下水道、農業灌渠、河流等流速的測量。第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二常用超聲波流量傳感器分類：時差法和多普勒效應法；

固定式和便攜式；條件傳播時間差法多普勒法適用液體水類(江河水，海水農業用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學試劑，藥液等含雜質多的水(下水，污水，農業用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等)重復性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質量的前提下,可以小于100m<30m價格較高一般較低第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二超聲波探傷

穿透法探傷：穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內部質量。

反射法探傷：

反射法探傷是根據超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二穿透法探傷

優點：指示簡單，適用于自動探傷；可避免盲區，適宜探測薄板。缺點：探測靈敏度較低，不能發現小缺陷；根據能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；對兩探頭的相對位置要求較高。第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二一次脈沖反射法

一次脈沖反射法探傷原理第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期二多次脈沖反射法

當透人試件的超聲波能量較