超声波传感器的应用与发展

一、声学基础知识

1.声波及其分类

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。其频率界限如图3-57所示。

图3-57 声波的频率界限

（1）次声波：振动频率低于16Hz的机械波。

（2）声波：振动频率在16～2×104Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。

（3）超声波：高于2×104Hz的机械波。

（4）微波：频率在3×108～3×1011Hz之间的机械波。

2.声压与声强

介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压。随着介质中各点声振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa（N/m2）。

声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向，声强的单位是W/m2。

3.物质的声学特性

（1）声速：声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。除水以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。

（2）声阻抗特性：声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度ρ与声速c之积，记作Z＝ρc。

声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比，接近于1∶80000，所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。

温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。

（3）声的吸收：传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。

二、超声波及其物理性质

1.超声波的波型

由于声波在介质中施力方向与声波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同，通常有以下几种。

（1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体、液体和气体中传播。

（2）横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，横波只能在固体中传播。

（3）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。

2.超声波的物理性质

超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10m以上。

超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。(www.xing528.com)

超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化，取决于两种介质的声阻抗特性。和其他声波一样，两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的界面，全部反射。

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射（或漫射）及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。

三、超声波传感器及应用

以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器（或称压电式超声波探头）和磁致式超声波传感器。

1.压电式超声波传感器

压电式超声波传感器的结构如图3-58所示，主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称接收探头）两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

图3-58 超声波传感器结构

（a）超声波发射器； （b）超声波接收器

1—导线；2—压电晶片； 1—导线；2—弹簧；

3—音膜；4—锥形罩 3—压电晶片；4—锥形罩

超声波传感器的超声波频率与压电材料的厚度关系可由下式表示：

式中，n＝1，2，3，⋯是谐波的级数；E为压电晶片沿x轴方向的弹性模量；δ为压电晶片的厚度；ρ为压电晶片的密度。

从上式得知，压电晶片在基频工作厚度振动时，压电晶片厚度δ相当于压电晶片振动的半波长，因此，可依此规律选择压电晶片的厚度。

在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合为一体，由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为，将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将该反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。

2.磁致式超声波传感器

磁致式超声波传感器的结构如图3-59所示，主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是：把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是：当超声波作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。

图3-59 磁致式超声波传感器

3.超声波传感器的应用

利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域。

图3-60所示为用超声波传感器（或称超声波探头）测厚的工作原理，主控制器控制发射电路，按一定频率发射出脉冲信号，此信号经过放大后，一方面加于示波器上，另一方面激励探头，发出超声波，至试件底面反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入示波器，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号，根据横轴上的标记信号，可以测出从发射到接收的时间间隔t，如果已知超声波在试件中的传播速度c，那么试件厚度h很容易求得，即h＝ct/2。

图3-60 超声波测厚的工作原理

图3-61所示为超声波探伤仪的工作原理，高频脉冲发生器间歇地发出数微秒的短暂脉冲去激励探头，并转换为同频率的声能进入试件向前传播，当遇到试件中的裂缝时，立即反射回来，并由同一探头接收，经转换、放大、检波以后，输送至示波器的垂直偏转板上，在高频脉冲发射的同时，扫描发生器在示波器的水平偏转板上施加与时间成线性关系的锯齿波电压，形成时间基线。从示波器图形中可以判定从裂缝反回的脉冲波F、初始波T和底波B。对于裂缝的大小和形状，可以借助已知标准裂缝由标定的方法求得。

图3-61 超声波探伤仪的工作原理

此外，利用超声波传感器作为机器人的眼睛，已被证明完全可以识别一些物体的位置和形状。