聲學(xué)量傳感器

1、聲學(xué)量傳感器1聲學(xué)量傳感器內(nèi)容： 聲學(xué)量傳感器的綜述 聲學(xué)量的基本概念與主要技術(shù)指標(biāo) 聲學(xué)量傳感器原理說(shuō)明 聲學(xué)量傳感器的應(yīng)用 聲學(xué)量傳感器的產(chǎn)品與價(jià)格 聲學(xué)量傳感器的發(fā)展動(dòng)向2聲學(xué)量傳感器的綜述 聲傳感器是把外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。它在通訊、噪聲控制、環(huán)境檢測(cè)、音質(zhì)評(píng)價(jià)、文化娛樂(lè)、超聲檢測(cè)、水下探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用。它的種類很多，按其特點(diǎn)和頻率等，將它劃分為超聲波傳感器、聲壓傳感器和聲表面波傳感器。3聲學(xué)量的基本概念與主要技術(shù)指標(biāo)聲波：彈性媒質(zhì)中傳播的壓力、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度等的變化或幾種變化的綜合。聲場(chǎng)：媒質(zhì)中有聲波存在的區(qū)域。聲壓：有聲波時(shí)，媒質(zhì)

2、中的壓力與靜壓的差值。單位為Pa。聲壓值是時(shí)間的函數(shù)。一般使用時(shí)，聲壓是有效聲壓的簡(jiǎn)稱。聲壓在聲場(chǎng)中具有空間分布。峰值聲壓：瞬時(shí)聲壓在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)最大絕對(duì)值有效聲壓：媒點(diǎn)上瞬時(shí)聲壓在一個(gè)周期內(nèi)的均方根值。聲壓級(jí)：聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的以10為底的對(duì)數(shù)乘以20，單位為分貝（dB）。常用基準(zhǔn)聲壓為20uPa（空氣中）;1uPa（水中）。4聲級(jí)：用一定的儀表特性和A，B，C計(jì)權(quán)特性測(cè)得的計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。所用的儀表特性和計(jì)權(quán)特性都必須說(shuō)明，否則指A聲級(jí)。常用基準(zhǔn)聲壓為20uPa。A，B，C計(jì)權(quán)特性分別是40，70，100方等響線的反曲線，計(jì)權(quán)特性用聲級(jí)的字母表示。如A聲級(jí)65dB。飛機(jī)噪聲也可用D計(jì)權(quán)，其特

3、性是40等噪線的反曲線。聲強(qiáng)：在某點(diǎn)上，一個(gè)與指定方向垂直的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的平均聲能。單位為W/m2。應(yīng)當(dāng)注意的是，聲場(chǎng)在指定方向n的聲強(qiáng)等于垂直于該方向的單位面積上的平均聲能通量。聲波為縱波時(shí)，聲強(qiáng)可用下式表示：5式中 p瞬時(shí)聲壓，Pa。式中 un瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度在方向n的分量，m/s。式中 T周期的整數(shù)倍，或長(zhǎng)得不影響計(jì)算結(jié)果的時(shí)間，單位為s。在自由場(chǎng)平面或球表面波的情況，在傳播方向的聲強(qiáng)是6式中 p有效聲壓，Pa。式中 o質(zhì)點(diǎn)密度，kg.m3。式中 c聲速，m/s。聲功率：聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量。單位負(fù)責(zé)人W。聲吸收：指聲波通過(guò)媒質(zhì)或遇到表面時(shí)，部分聲能轉(zhuǎn)換成其它形式的能

4、（通常是熱能）而使聲能降低的過(guò)程。自由聲場(chǎng)：均勻的各向同性的非流動(dòng)媒質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)的聲場(chǎng)。噪聲：紊亂繼續(xù)或統(tǒng)計(jì)上隨機(jī)的聲振蕩或指不需要的聲音，可引伸為在一定頻段中任何不需要的干擾，如電波干擾。噪聲劑量：工作日，工作周或其它一定時(shí)間內(nèi)，一切有關(guān)噪聲的部分暴露指數(shù)的和。某一種噪聲持續(xù)時(shí)間除以在一定時(shí)間（工作日、工作周）內(nèi)該噪聲級(jí)下允許的連續(xù)工作時(shí)間，稱為該噪聲的部分噪聲暴露指數(shù)。總噪聲指數(shù)代表人耳接收的噪聲劑量。用積分表示為：7式中 D總噪聲暴露指數(shù)。式中 T計(jì)算時(shí)間，單位為s。式中 PPA瞬間A聲級(jí)，dB?；祉憰r(shí)間：聲音已達(dá)到穩(wěn)態(tài)后停止聲源，平均聲能密度自原始衰變到其百萬(wàn)分之一（60dB

5、）所需要的時(shí)間。聲壓頻率響應(yīng)：聲壓測(cè)量傳感器的輸出對(duì)聲壓的比率作為頻率的函數(shù)。該聲壓在傳感器敏感元件的整個(gè)表面上無(wú)論相位或振幅對(duì)相等。8自由場(chǎng)頻率響應(yīng)：聲場(chǎng)中聲壓測(cè)量傳感器的輸出與自由場(chǎng)聲壓之比作為頻率的函數(shù)。該自由場(chǎng)聲壓是指無(wú)傳感器存在時(shí)在傳感器聲中心位置的聲壓。指向性：發(fā)射（或接收）某一頻率的聲波的聲源（或聲接收器）在其遠(yuǎn)場(chǎng)中的發(fā)射聲壓（或接收靈敏度）的方向特性。常用指向性圖表示。指向性是聲源在遠(yuǎn)場(chǎng)形成波束的方向特性，也是聲接收器對(duì)入射聲波的方向選擇特性。指向性圖案：換能器在固定頻率工作時(shí)，通過(guò)聲中心的指定平面內(nèi)其響應(yīng)作為發(fā)射或入射聲波方向函數(shù)，稱為指向性函數(shù)。用圖線表示的指向性函數(shù)，稱為

6、指向性圖案。指向性圖案是聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)聲束圖案的數(shù)學(xué)描述，是球坐標(biāo)中方位角和俯仰角的函數(shù)。在不同頻率下工作，同一換能器的指向性將隨頻率的提高而趨于明顯。漫射聲：在給定區(qū)域內(nèi)聲能密度均勻的聲，在區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)上所有方向的聲能通量是等概率的。隨機(jī)入射響應(yīng)：聲壓測(cè)量傳感器漫射場(chǎng)的頻率。射向傳感器規(guī)定表面的聲音是來(lái)自隨機(jī)方向的。9聲學(xué)量傳感器的原理說(shuō)明超聲波傳感器（ultrasonic sensor）聲壓傳感器（voltage sensor） 聲表面波傳感器（acoustic surface wave sensor） 10超聲波傳感器（ultrasonic sensor）1)聲波及其分類(1)次聲波，振動(dòng)

7、頻率低于l6Hz的機(jī)械波。(2)聲波:振動(dòng)頻率在16Hz20KHz之間的機(jī)械波。(3)超聲波:高于20KHz的機(jī)械波。 112）超聲波的物理性質(zhì) 超聲波與聲波比，振動(dòng)頻率高，波長(zhǎng)短，具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。 123）超聲波傳感器原理超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時(shí)電路和控制電路四個(gè)主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測(cè)物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時(shí)超聲接受器開(kāi)始檢測(cè)回聲信號(hào)，定時(shí)電路也開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來(lái)。等到超聲接受器收到回聲信

8、號(hào)后，定時(shí)電路停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)電路所記錄的時(shí)間，是從發(fā)射超聲波開(kāi)始到收到回聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間值，可以換算出被測(cè)物體到超聲傳感器之間的距離。這個(gè)換算的公式很簡(jiǎn)單，即聲波傳播時(shí)間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個(gè)工作過(guò)程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。13注：超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)射出超聲波。接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí)，使磁滯材料磁場(chǎng)變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)輸出。14聲壓傳感器（voltage sensor） 能感受聲壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器稱為聲壓傳感器。它有以下的幾種實(shí)現(xiàn)形式：電阻變換式壓電式電容式151).電

9、阻變換式這類傳感器可分為接觸阻抗型和阻抗變換型兩種。炭粒式送話器就屬于接觸阻抗型傳感器的一種，圖13.15是它的工作原理圖。送話器的基本工作原理是：當(dāng)聲波經(jīng)空氣傳播至膜片時(shí)，膜片產(chǎn)生振動(dòng)，在膜片和電極之間的接觸電阻發(fā)生變化，從而調(diào)制通過(guò)送話器的電流，該電流經(jīng)變壓器耦合至放大器，信號(hào)經(jīng)放大后輸出。阻抗變換型傳感器是由電阻絲應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在膜片上構(gòu)成的。當(dāng)聲壓作用在膜片上時(shí)，膜片產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻抗發(fā)生變化，檢測(cè)電路將這種變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，從而完成聲電的轉(zhuǎn)換。16172).壓電式這類傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的。圖13.16是壓電傳聲器的結(jié)構(gòu)圖。壓電晶體的一個(gè)極面和膜片

10、相連接，當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振動(dòng)時(shí)，膜片帶動(dòng)壓動(dòng)晶體產(chǎn)生振動(dòng)，壓電晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生隨聲壓大小變化而變化的電壓，從而完成聲電的轉(zhuǎn)換。18193).電容式圖13.19是電容式送話器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由膜片、外殼及固定電極等組成，膜片為一片質(zhì)輕而彈性好的金屬薄片，它與固定電極組成一個(gè)間距很小的可變電容器。當(dāng)膜片在聲波作用下振動(dòng)時(shí)，膜片與固定電極間的距離發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。如果在傳感器的兩極間串接負(fù)載電阻R和直流電流極化電壓E，在電容量隨聲波的振動(dòng)變化時(shí)，在R的兩端就會(huì)產(chǎn)生交變電壓。電容式的傳感器的輸出阻抗呈容性，由于其容量小，在低頻情況下容抗很大，為保證低頻時(shí)的靈敏度，必須有一

11、個(gè)輸入阻抗很大的變換器與其相連，經(jīng)阻抗變換后，再由放大器進(jìn)行放大。202122聲表面波傳感器（acoustic surface wave sensor） 能感測(cè)聲表面波信號(hào)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器稱為聲表面波傳感器。聲表面波SAW （Surface Acoustic Wave）是英國(guó)物理學(xué)家瑞利在19世紀(jì)80年代研究地震波的過(guò)程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡ā?965年，美國(guó)的懷特和沃爾特默在應(yīng)用物理雜志上發(fā)表題為“一種新型聲表面波聲電轉(zhuǎn)化器”的論文，取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破，能在壓電材料表面激勵(lì)聲表面波的金屬叉指換能器IDT（Interdigital Transduce

12、r）的發(fā)明，大大加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多各具特色的聲表面波器件，使這門(mén)年輕的學(xué)科逐步發(fā)展成為一門(mén)新興的、聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科。聲表面波傳感器標(biāo)簽的識(shí)別原理：聲表面波傳感器的基本組成如圖所示。其天線接收到高頻（915MHZ中心頻率）激勵(lì)后經(jīng)過(guò)叉指換能器IDT（inter-digital transducer）將電磁波轉(zhuǎn)化成聲表面波，然后經(jīng)過(guò)一系列反射器（可編程，包含了識(shí)別碼）反射回來(lái)，再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)化成電磁波經(jīng)天線發(fā)射出去，完成反射過(guò)程。2324聲學(xué)量傳感器的應(yīng)用 超聲波傳感器的應(yīng)用 聲壓傳感器的應(yīng)用 聲表面波傳感器 25超聲波傳感器的應(yīng)用 利用超聲波探傷、測(cè)距、測(cè)物2

13、6利用裝有超聲波傳感器的檢測(cè)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)輸油管進(jìn)行檢測(cè) 27采用超聲波傳感器的倒車?yán)走_(dá) 28利用超聲波傳感器制成的魚(yú)群探測(cè)器29聲壓傳感器的應(yīng)用 聲壓傳感器在汽車防盜及航空探測(cè)方面等都有應(yīng)用。確定密閉集裝箱內(nèi)的材料化學(xué)成分，加強(qiáng)港口的安全。30聲表面波傳感器 SAW最早的應(yīng)用是在廣播、電視領(lǐng)域作頻率穩(wěn)定的濾波器之用?，F(xiàn)在聲表面波技術(shù)的應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通信及廣播電視中的信號(hào)處理、航空航天、石油勘探和無(wú)損檢測(cè)等。 31傳感器的發(fā)展前景 傳感器和儀表元器件是儀器儀表與自動(dòng)化系統(tǒng)最基礎(chǔ)元器件之一。傳感器和儀表元器件具有服務(wù)面廣、品種繁多、需求量大等特點(diǎn),其技術(shù)水平和產(chǎn)品

14、質(zhì)量的提高,將為我國(guó)制造業(yè)信息化奠定基礎(chǔ)。32現(xiàn)狀與問(wèn)題我國(guó)傳感器和儀器儀表的技術(shù)和產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)發(fā)展,有了較大的提高。全國(guó)已經(jīng)有1600多家企事業(yè)單位從事傳感器和儀表元器件的研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)。但與國(guó)外相比,我國(guó)傳感器和儀表元器件的產(chǎn)品品種和質(zhì)量水平,尚不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求,總體水平還處于國(guó)外上世紀(jì)90年代初期的水平。存在的主要問(wèn)題有：（1）科技創(chuàng)新差,核心制造技術(shù)嚴(yán)重滯后于國(guó)外,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少,品種不全,產(chǎn)品技術(shù)水平與國(guó)外相差15年左右。 （2）投資強(qiáng)度偏低,科研設(shè)備和生產(chǎn)工藝裝備落后,成果水平低,產(chǎn)品質(zhì)量差。 （3）科技與生產(chǎn)脫節(jié),影響科研成果的轉(zhuǎn)化,綜合實(shí)力較低,產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足

15、。 33戰(zhàn)略目標(biāo) 到2020年,傳感器及儀表元件領(lǐng)域應(yīng)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)三大戰(zhàn)略目標(biāo)： 以工業(yè)控制、汽車、通訊、環(huán)保為重點(diǎn)服務(wù)領(lǐng)域,以傳感器、彈性元件、光學(xué)元件、專用電路為重點(diǎn)對(duì)象,發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性技術(shù)和產(chǎn)品; 以MEMS工藝為基礎(chǔ),以集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)為依托,加強(qiáng)制造工藝和新型傳感器和儀表元器件的開(kāi)發(fā),使主導(dǎo)產(chǎn)品達(dá)到和接近國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平; 以增加品種、提高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益為主要目標(biāo),加速產(chǎn)業(yè)化,使國(guó)產(chǎn)傳感器和儀表元器件的品種占有率達(dá)到70%80%,高檔產(chǎn)品達(dá)60%以上。 34發(fā)展重點(diǎn) 傳感器技術(shù)儀表元器件35傳感器技術(shù)MEMS工藝和新一代固態(tài)傳感器微結(jié)構(gòu)制造工藝：深反應(yīng)離子刻

16、蝕（DRIE）工藝或IGP工藝;封裝工藝：如常溫鍵合倒裝焊接、無(wú)應(yīng)力微薄結(jié)構(gòu)封裝、多芯片組裝工藝;新型傳感器：如用微硅電容傳感器、微硅質(zhì)量流量傳感器、航空航天用動(dòng)態(tài)傳感器、微傳感器,汽車專用壓力、加速度傳感器,環(huán)保用微化學(xué)傳感器等。 集成工藝和多變量復(fù)合傳感器微結(jié)構(gòu)集成制造工藝;工業(yè)控制用多變量復(fù)合傳感器,如：壓力、靜壓、溫度三變量傳感器,氣壓、風(fēng)力、溫度、濕度四變量傳感器,微硅復(fù)合應(yīng)變壓力傳感器,陳列傳感器。 智能化技術(shù)與智能傳感器信號(hào)有線或無(wú)線探測(cè)、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、雙向通訊、自診斷等智能化技術(shù);智能多變量傳感器,智能電量傳感器和各種智能傳感器、變送器。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化傳感器

17、,使傳感器具有工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議功能。36儀表元器件彈性元件開(kāi)發(fā)和完善新型成型工藝：電沉積成型工藝,焊接成型工藝;重點(diǎn)開(kāi)發(fā)航空、航天用的低剛度、大位移、長(zhǎng)壽命的微小型精密波紋管,高溫高壓閥用波紋管;研制波紋管高效成型工藝設(shè)備和性能檢測(cè)儀器。 光學(xué)元件開(kāi)發(fā)先進(jìn)工藝：非球面光學(xué)元件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、光學(xué)多層測(cè)射鍍膜技術(shù)和新型離子輔助鍍膜技術(shù)。 開(kāi)發(fā)光纖通訊和數(shù)字成像用新型光學(xué)元件,如：微型變密度濾光片、超窄帶濾光片,微透鏡陣列、大面積偏振元件、非球面玻-塑混合透鏡。 專用電路提高專用電路集成度和個(gè)性化服務(wù)的設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝; 應(yīng)用軟件固化技術(shù),開(kāi)發(fā)適合智能化、網(wǎng)絡(luò)化傳感器和儀表的信號(hào)變換、補(bǔ)償、線性化、通訊、網(wǎng)絡(luò)接口等專用電路。 37產(chǎn)品BANNER公司產(chǎn)品38BANNER公司產(chǎn)品 U-GAGE 超聲波傳感器 - 可用于位置檢測(cè)應(yīng)用的高級(jí)傳感器. 開(kāi)關(guān)量輸出可以理想地完成開(kāi)關(guān)檢測(cè)或高低料位控制 .模擬量輸出可以根據(jù)用戶設(shè)定精確地完成一個(gè)線性輸出. 有的產(chǎn)品集兩者于