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传感器与检测技术第9章 波式和辐射式传感器


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,如图9-6所示。
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
介质的密度以及声阻抗。这里,声阻抗是描述介质传播 声波特性的一个物理量。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。气体中的声速为344 m/s,液体中的声速900m/s。在固体中,纵波、横波和 表面波三者的声速有一定的关系,通常可认为横波声速 为纵波声速的一半。表面波声速约为横波声速的90 %。
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,如图9-3所示。
(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c2之射比波,所即处介质的波速c1与在折射波中介质的波速
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。在检测技术中主要采用压电式。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。而利用压电效应则将接收的 超声波振动转换成电信号,可作为接收探头。
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 纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、
不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩 效应最大,它在一切磁场中都是缩短的。如果 先加一定的直流磁场,再加以交流电时,它可 工作在特性最好的区域。 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。 磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1~0.4mm 的镍片叠制而成。片间绝缘以减少涡流损耗。
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。
Hale Waihona Puke 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,在介质界面上会产生反 射、折射和波形转换等现象。声源在介质中施力方 向与波在介质中传播方向的不同,造成声波的波形 也不同。一般有以下几种:
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。如图9-4所 示。
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,
(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,因此对 于给定强度的声波,在气体中的传播距离会明显比在液体 和固体中传播的距离短。
9.1.2 超声波的发生与接收
超声波是由超声波发生器产生的,其结构分为两部分:一部分 为产生高频电流或电压的电源;另一部分为换能器,它的作用 是将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。
3.超声波的接收 在超声波技术中,除需要能产生一定频率及强度的超声
波发生器以外,还需要能接收超声波的接收器。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 的。 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:其结构和超声波发生器基本相同,有时 就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。 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。根据电磁感应 原理,磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动势,将此 电动势送至测量电路并记录显示,可得测量结果。它的 结构也与发生器差不多。
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
(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 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐
向外扩散,如图9-2所示。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
1.单晶直探头 用于固体介质的单晶直探头(俗称直探头)的结构
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