傳感器課件第七章

第七章聲/超聲波敏感傳感器7.1聲波的基本性質(zhì)7.2聲敏傳感器7.3超聲波傳感器7.4聲表面波傳感器7.5聲板波傳感器聲傳播過程中同一時刻不同體積元內(nèi)的壓強P都不同，同一體積元的壓強P又隨時間變化，即p=p(x,y,z,t)。設(shè)體積元受聲擾動后壓強由P0變?yōu)镻，則產(chǎn)生的逾量壓強（簡逾壓：p=P-P0）稱為聲壓。測量聲壓可間接求得媒質(zhì)質(zhì)點振動速度等。將存在聲壓的空間稱為聲場，聲場中某一瞬時的聲壓值稱為瞬時聲壓，最大的瞬時聲壓值稱為峰值聲壓。如果聲壓隨時間的變化是簡諧規(guī)律的，則峰值聲壓就是聲壓的振幅，瞬時聲壓對時間取均方根的值稱為有效聲壓Pe。T取平均的時間間隔，可以是一個周期或比周期大很多的間隔

聲波是一種機械波，將理想流體媒質(zhì)中聲振動傳播的方向與質(zhì)點振動方向一致的聲波稱為縱聲波，與質(zhì)點振動方向垂直的稱為橫聲波。在媒質(zhì)微粒的雜亂運動中附加上聲波有規(guī)律的運動，使得體積元內(nèi)流入質(zhì)量>流出質(zhì)量，有時反過來。即體積元內(nèi)媒質(zhì)一會兒稠密…稀疏，所以聲波的傳播實際上是媒質(zhì)內(nèi)稠密和稀疏的交替過程，可以用體積元內(nèi)壓強、密度、溫度、和質(zhì)點的速度等變化量來描述。7.1.1聲壓及其描述一、定義聲壓隨空間位置和時間變化的數(shù)學(xué)表達式。理想流體媒質(zhì)的三個基本方程為：1.有聲擾動時運動方程，即聲場中聲壓p與質(zhì)點速度v的關(guān)系：2.聲場中媒質(zhì)的連續(xù)性方程，即質(zhì)點速度v與密度ρ的關(guān)系：3.有聲擾動時的物態(tài)方程，即壓強P微小變化與密度ρ微小變化的關(guān)系：下標(biāo)s表示絕熱過程。由于媒質(zhì)被壓縮時壓強和密度都增加，膨脹時二者都降低，則系數(shù)恒大于0，表示，c為聲振動在媒質(zhì)中的傳播速度對于平衡態(tài)時的理想氣體，對于平衡態(tài)時的一般流體，二、聲波動方程

對于小振幅聲波，壓強的微分即聲壓p，密度的微分即密度增量ρ′，媒質(zhì)物態(tài)方程簡化為：

若聲波僅沿x方向傳播，yz平面上的所有質(zhì)點的振幅和位相均相同，聲波的波陣面是平面，平面波波動方程的解為：ω為聲源簡諧振動的圓頻率；k=ω/c0=1/λ稱為波數(shù)；pA為聲壓幅值則由有聲擾動運動方程知質(zhì)點速度為：vA質(zhì)點振動的振幅指將聲場中某位置的聲壓p與該位置的質(zhì)點速度v的比值，即：對于平面聲波，代入和對于沿負(fù)方向的反射波：

可見，平面聲場中各位置的聲阻抗率數(shù)值相同，且為一常數(shù)。說明了平面聲場各位置都無能量的儲存，前一個位置的能量可完全傳播到后一個位置。一般zs為復(fù)數(shù)，其實部反映了能量的傳播損耗。三、聲阻抗率當(dāng)聲波傳播到靜止媒質(zhì)時，質(zhì)點在平衡位置附近來回振動使媒質(zhì)具有了振動動能，同時媒質(zhì)產(chǎn)生了壓縮和膨脹使媒質(zhì)具有了形變位能，兩部分之和就是聲擾動使媒質(zhì)得到的能量。聲傳播聲能量也隨著轉(zhuǎn)移。體積元V0里總的聲能量為動能⊿EK和位能⊿EP之和，即:聲能密度ε：單位體積內(nèi)的聲能量，即：平面波的聲壓和質(zhì)點速度代入，動能與位能密度是同相位的，動能密度最大時位能也最大，聲能密度隨時間由0變到最大，即：7.1.2聲功率和聲強一個周期的平均聲能密度值，即：為有效聲壓。平均聲能密度處處相等平均聲能量流或平均聲功率：單位時間通過垂直于聲傳播方向面積S的平均聲能量，即：平均聲能量流密度或聲強：將單位時間通過垂直于聲傳播方向的單位面積的平均聲能量，即：可用單位時間、單位面積的聲波向前進方向比鄰媒質(zhì)所作的功表示，對于平面聲波，有：式中Re代表取實部；ve為有效質(zhì)點速度，等于聲壓級SPL定義為待測有效聲壓pe與參考聲壓pref比值的常用對數(shù)的20倍，即：聲強級SIL定義為待測聲強Ie與參考聲強Iref比值的常用對數(shù)的10倍，即：將代入得到聲壓級與聲強級的關(guān)系式：如果測量時恰好ρ0c0=400，則SIL=SPL；一般情況聲強級與聲壓級相差一個修正項，且它通常很小。聲波傳播中遇到各種障礙物，會有部分聲波反射回來，同時也有一部分會透射過去。當(dāng)平面聲波垂直從媒質(zhì)Ⅰ射到媒質(zhì)Ⅱ界面上時，反射波聲壓prA與入射波聲壓piA之比rp、反射質(zhì)點速度vrA與入射波質(zhì)點速度viA之比rv、透射波聲壓ptA與入射波聲壓piA之比tp、透射波質(zhì)點速度vtA與入射波質(zhì)點速度viA之比tv分別為：R1=ρ1c1、R2=ρ2c2為媒質(zhì)Ⅰ和媒質(zhì)Ⅱ的特性阻抗，R12=R2/R1，R21=R1/R2

7.1.3聲波的反射、折射、透射和吸收可見，聲波在分界面上的反射和透射的大小僅決定于媒質(zhì)的特性阻抗。當(dāng)R2=R1時，rp=rv=0，tp=tv=1，表明沒有反射、全部透射，即只要兩種媒質(zhì)的特性阻抗相同，它們的分界面就象不存在一樣。當(dāng)R2>R1時，媒質(zhì)Ⅱ比媒質(zhì)Ⅰ在聲學(xué)性質(zhì)上更“硬”，此界面稱為硬界面，rv小于0，反射波質(zhì)點的速度與入射波質(zhì)點的位相改變180°。當(dāng)R2<R1時，媒質(zhì)Ⅱ比媒質(zhì)Ⅰ更“軟”，此界面稱為軟界面，rp小于0，反射波的聲壓與入射波的聲壓位相改變180°。當(dāng)R2》R1時，rp≈1，rv≈-1，tv≈0，媒質(zhì)Ⅱ?qū)γ劫|(zhì)Ⅰ來說十分“堅軟”，入射波質(zhì)點碰到分界面后完全彈回媒質(zhì)Ⅰ，反射波質(zhì)點的速度與入射波質(zhì)點的速度大小相等，位相相反，界面上合成質(zhì)點速度為0；反射波聲壓與入射波聲壓大小相等、為相相同，界面上合成聲壓為入射聲壓的2倍；實際上發(fā)生的是全反射，在媒質(zhì)Ⅰ中疊加形成駐波，分界面為速度波節(jié)和聲壓波腹，媒質(zhì)Ⅱ中沒有聲波傳播。若平面聲波斜入射時會出現(xiàn)反射和折射，反射波與折射波的大小不僅與分界面兩邊媒質(zhì)的特性阻抗有關(guān)，而且與聲波的入射角有關(guān)。當(dāng)入射角為θi，反射角為θr，折射角為θt時，它們之間的關(guān)系滿足著名的斯奈爾聲波反射與折射定律，表示為：分界面上反射波聲壓與入射波聲壓之比rp，透射波聲壓與入射波聲壓之比tp分別為：點速度的法向分量的比值，稱為法向聲阻抗率，它既與媒質(zhì)特性阻抗有關(guān)，又與聲波傳播方向有關(guān)。其中和分別為入射波和折射波的聲壓與相應(yīng)質(zhì)左右兩個式子相比，右者是左者θi=0的特例，可以把R1和R2理解為θi=θt=0時即垂直入射的聲波法向聲阻抗率，它們等于媒質(zhì)的特征阻抗。若測量透過一定厚度D媒質(zhì)的聲強，將透射波聲強與入射波聲強之比定義為聲強透射系數(shù)，即反射波聲強與入射波聲強大小之比稱為聲強反射系數(shù)，即

聲波通過中間層時的反射波和透射波的大小不僅與兩種媒質(zhì)的特性阻抗有關(guān)，而且與中間層的厚度與波長之比D/λ2有關(guān)。聲波在非理想媒質(zhì)中傳播時，會出現(xiàn)聲波隨距離而逐漸衰減的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生聲能變?yōu)闊崮芎纳⒌倪^程，將這種耗散稱為媒質(zhì)中的聲衰減，或聲波的吸收。在純媒質(zhì)中媒質(zhì)的粘滯、熱傳導(dǎo)、媒質(zhì)的微觀過程引起的馳豫效應(yīng)等都會引起聲吸收，在非純媒質(zhì)中如空氣中的灰塵粒子對媒質(zhì)作相對運動的磨擦損耗、聲波對粒子的散射引起附加的能量耗散是聲吸收的主要原因。

兩列聲波合成聲場的聲壓等于每列聲波聲壓之和p=p1+p2，這就是聲波的迭加原理。兩列具有相同頻率ω、固定為相差的聲波迭加時會發(fā)生干涉現(xiàn)象，且合成聲壓仍然是相同頻率ω的聲振動，但合成的振幅與兩列聲波的振幅和位相差都有關(guān)。若兩列聲波的頻率不同，即使具有固定的位相差也不可能發(fā)生干涉現(xiàn)象。7.1聲波的基本性質(zhì)7.2聲敏傳感器7.3超聲波傳感器7.4聲表面波傳感器7.5聲板波傳感器7.2.1電阻變換型聲敏傳感器7.2.2壓電聲敏傳感器7.2.3電容式聲敏傳感器（靜電型）7.2.4音響傳感器

可分為接觸阻抗型和阻抗變換型兩種。接觸阻抗型聲敏傳感器的一個典型實例是碳粒式送話器，如圖，當(dāng)聲波經(jīng)空氣傳播至膜片時，膜片產(chǎn)生振動，使膜片和電極之間碳粒的接觸電阻發(fā)生變化，調(diào)制通過送話器的電流，經(jīng)變壓器耦合至放大器經(jīng)放大后輸出。阻抗變換型聲敏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膜片產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻抗發(fā)生變化，檢測電路將這種變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出從而完成聲—電的轉(zhuǎn)換。7.2.1電阻變換型聲敏傳感器7.2.2壓電聲敏傳感器7.2.3電容式聲敏傳感器（靜電型）7.2.4音響傳感器

利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的。壓電晶體的一個極面和膜片相連接，當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振動時，膜片帶動壓電晶體產(chǎn)生機械振動，壓電晶體產(chǎn)生隨聲壓大小而變化的電壓，完成聲—電的轉(zhuǎn)換。壓電聲敏傳感器可廣泛用于水聲器件、微音器、噪聲計等方面。壓電微音器電路圖壓電微音器的噪聲應(yīng)用壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖7.2.1電阻變換型聲敏傳感器7.2.2壓電聲敏傳感器7.2.3電容式聲敏傳感器（靜電型）7.2.4音響傳感器

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，與固定電極組成一個間距很小的可變電容器。當(dāng)膜片在聲波作用下振動時膜片與固定電極間的距離發(fā)生變化引起電容量的變化。如果在傳感器的兩極間串接負(fù)載電阻RL和直流電流極化電壓E，在電容量隨聲波的振動變化時，在RL的兩端就會產(chǎn)生交變電壓。電容式送話器的結(jié)構(gòu)示意圖7.2.1電阻變換型聲敏傳感器7.2.2壓電聲敏傳感器7.2.3電容式聲敏傳感器（靜電型）7.2.4音響傳感器

一、駐極體話筒駐極體是以聚酯、聚碳酸酯、氟化乙烯樹脂的電介質(zhì)薄膜，使其內(nèi)部極化，并將電荷固定在薄膜的表面。將薄膜的一個面作成電極，如圖，與固定電極保持一定的間隙d0，在薄膜的單位電極表面上所感應(yīng)的電荷為：、設(shè)上圖中系統(tǒng)的合成電容為C（F）時，駐極體膜片以角頻率ω振動，若R＞＞ωC，則來自外部的電荷不能移動，在電極間產(chǎn)生電位差。即：表明輸出電壓與位移成比例，即短路電流與振動速度成比例。二、水聽器聲音在水中傳播速度快，聲波傳輸衰減小，且水中各種噪聲的分貝一般比空氣中的聲壓分貝值約高20dB。音響振動變換元件可換成電動、電磁、靜電式、晶體和燒結(jié)體元件，可檢測深、魚群、海流及各種噪聲等。壓電陶瓷元件常用半徑方向上被極化了的薄壁圓筒形振子。右圖，由于元件呈電容性，加長輸出電纜效果不理想，元件后配置場效應(yīng)管，進行阻抗變換以便得到輸出。要求具有防水性和耐壓性。水聽器頭部斷面三、錄音拾音器拾音器由機—電變換部分和支架構(gòu)成，其芯子大致可分為：速度比例式（分為電動式和電磁式）與位移比例式（分為靜電式、壓電式和半導(dǎo)體式）。大多數(shù)電動式芯子，線圈中都包含有磁心，由振動線圈本身交鏈磁通的變化（dΦ/dt）產(chǎn)生輸出電壓，其磁性材料有坡莫合金、鐵硅鋁磁合金和珀明德鐵鈷系高導(dǎo)磁合金。電磁式有動磁式（MM型）、動鐵式（MI型）、磁感應(yīng)式（IM型）和可變磁阻式等。國外大多MM型結(jié)構(gòu)的示意如圖，隨著磁鐵速度的變化，從被固定的線圈左、右端子即可獲得輸出結(jié)果。壓電式的變換元件有晶體（酒石酸鉀鈉）的或鈦酸鋇陶瓷的。四、動圈式話筒結(jié)構(gòu)如圖。由磁鐵和軟鐵組成磁路，磁場集中在磁鐵芯柱與軟鐵形成的氣隙中。在軟鐵的前部裝有振動膜片，它的上面帶有線圈，線圈套在磁鐵芯柱上，位于強磁場中。當(dāng)振動膜片受聲波作用時帶動線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?。由于線圈的圈數(shù)很少，在輸出端接有升壓變壓器以提高輸出電壓。1.心音計：檢測心臟跳動聲、心臟雜音的信號，并通過放大器和濾波器組合，就可獲得胸部的特定部位隨時間而變化的波形，根據(jù)波形就可進行診斷。心音變換器分為空氣傳導(dǎo)式與直接傳導(dǎo)式兩種?？諝鈧鲗?dǎo)式由氣室與一般的傳聲器組合而成，但輸出小，易于受到周圍雜音的干擾。直接傳導(dǎo)式分為加速度型、懸掛型、放置型三種如圖。直接傳導(dǎo)式必須和胸腔壁接觸，胸腔壁上心音的伸縮振動，可在薄膜厚度方向輸出電壓。2.心音導(dǎo)管尖端式傳感器：將壓力檢測元件配置在心音導(dǎo)管端部的、小型的探頭傳感器，用于測定血壓、檢測心音和心雜音的發(fā)生部位。壓力檢測元件可用電磁式、應(yīng)變片（電阻絲和半導(dǎo)體）式、壓電陶瓷式等，用光導(dǎo)纖維束來傳輸光，將端部振動片的位移由振動片反射回來，引起光量的變化，由光量變化讀出壓力值如圖，可檢測-50～200mmHg7.1聲波的基本性質(zhì)7.2聲敏傳感器7.3超聲波傳感器7.4聲表面波傳感器7.5聲板波傳感器7.3.1超聲波及其物理性質(zhì)

7.3.2超聲波探頭

7.3.3聲波檢傳感器檢測技術(shù)中的應(yīng)用

一、超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換1.波型：聲波通常有：①縱波，能在固體、液體和氣體中傳播。②橫波，只能在固體中傳播。③表面波：質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間，質(zhì)點振動的軌跡是橢圓形（其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向），只沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。2.波型轉(zhuǎn)換：當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還發(fā)生橫波的反射及折射。在某種情況下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型都符合反射及折射定律。3.傳播速度：縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度。由于氣體和液體的剪切模量為零，所以超聲波在氣體和液體中沒有橫波，只能傳播縱波。氣體中的聲速為344m/s、液體中聲速在900～1900m/s；在固體中縱波、橫波和表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90%。二、聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其聲壓和聲強的衰減規(guī)律如下：

PX、IX為平面波在x處的聲壓和聲強；P0、I0為平面波在x=0處的聲壓和聲強；a為衰減系數(shù)

聲波能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中聲波的衰減僅僅來自于聲波的擴散，隨著聲波傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)聲能會減弱。散射衰減指聲波在固體介質(zhì)中顆粒界面上的散射，或在流體介質(zhì)中有懸浮粒子的散射。而聲波的吸收是介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后等因素造成的，如介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能，吸收隨聲波頻率的升高而增高。因此，衰減系數(shù)a因介質(zhì)材料的性質(zhì)而異，顯然晶粒越粗、頻率越高衰減愈大，衰減系數(shù)往往會限制最大探測厚度。7.3.1超聲波及其物理性質(zhì)

7.3.2超聲波探頭

7.3.3聲波檢傳感器檢測技術(shù)中的應(yīng)用

一、壓電式換能器是利用電致伸縮現(xiàn)象制成的，在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動而產(chǎn)生超聲波，如圖。壓電材料的固有頻率與晶體片厚度d有關(guān)，即：

n=1，2，3……是諧波的級數(shù)；c為波在壓電材料里傳播的縱波速度；

E為楊氏模量；ρ為壓電晶體的密度。

壓電式超聲波接收器一般是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)進行工作的，其結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時使晶片伸縮，在晶片的兩個界面上便產(chǎn)生交變電荷，經(jīng)放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。壓電式超聲波探頭有多種結(jié)構(gòu)形式，如直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭、雙探頭（一個探頭發(fā)射，另一個接收）、聚集探頭（將聲波聚集成一細(xì)束）、水浸探頭（可浸在液體中）以及其他專用探頭。典型的壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖。壓電式多為圓板形，由知，超聲波頻率f與其厚度d成反比，壓電晶片在基頻作厚度振動時，晶片厚度d相當(dāng)于晶片振動的半波長，可依此規(guī)律選擇晶片厚度。為避免磨損壓電晶片下粘合一層保護膜二、磁致伸縮換能器

鐵磁物質(zhì)在交變的磁場中沿著磁場方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，叫做磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強弱即伸長縮短的程度，因鐵磁物質(zhì)的不同而不同。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，在一切磁場中都是縮短的；如果先加一定的直流磁場，再通以交流電流時可工作在特性最好區(qū)域。

磁致伸縮換能器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化即機械振動，產(chǎn)生出超聲波。它是用幾個厚為0.1～0.4mm的鎳片迭加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等。換能器機械振動的固有頻率的表達式與壓電式的式相同。如果振動器是自由的，則n=1，2，3……，如果振動器的中間部分固定，則n=1，3，5……。磁致伸縮換能器的材料除鎳外，還有鐵鈷釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體；其工作效率范圍較窄，僅在幾萬赫茲范圍內(nèi)，但功率可達十萬瓦，聲強可達幾千瓦/厘米2，能耐較高的溫度。

磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮效應(yīng)工作的。當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材料伸縮，引起它的內(nèi)部磁場（即導(dǎo)磁特性）的變化。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動勢。此電勢送到測量電路及記錄顯示設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)也與發(fā)生器差不多。7.3.1超聲波及其物理性質(zhì)

7.3.2超聲波探頭

7.3.3聲波檢傳感器檢測技術(shù)中的應(yīng)用

一、超聲波測厚

超聲波測厚常用脈沖回波法，此方法檢測厚度的工作原理如下圖所示。超聲波探頭與被測物體表面接觸；主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖；脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收；如果超聲波在工件中的聲速c是已知的，設(shè)工件厚度為d，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔Δt可以測量，因此可求出工件厚度為：二、超聲波測物位

將存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位；固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位。二者統(tǒng)稱為物位。超聲波測物位，由于非接觸連續(xù)測量、安裝方便、不受被測介質(zhì)影響，可在較高溫度下測量、精度高、功能強等特點。在物位儀表中越來越受到重視。下圖為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過介質(zhì)到達液面，經(jīng)液面反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質(zhì)中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。根據(jù)傳聲方式和使用探頭數(shù)量的不同，可以分為(a)單探頭液介式，(b)單探頭氣介式，(c)單探頭固介式，(d)雙探頭液介式等數(shù)種。在生產(chǎn)實踐中，有時只需要知道液面是否升到或降到某個或幾個固定高度，則可采用下圖所示的超聲波定點式液位計，實現(xiàn)定點報警或液面控制。圖(a)(b)為連續(xù)波阻抗式液位計的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當(dāng)探頭發(fā)射面分別與氣體或液體接觸時，發(fā)射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個處于諧振狀態(tài)的超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖(c)(d)為連續(xù)波透射式液位計示意圖。圖中相對安裝的兩個探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波，由此可判斷出液面是否達到探頭的高度。三、超聲波測流量

利用超聲波測流量對被測流體并不產(chǎn)生附加阻力，測量結(jié)果不受流體物理和化學(xué)性質(zhì)的影響。超聲波在靜止和流動流體中的傳播速度是不同的，進而形成傳播時間和相位上的變化，由此可求得流體的流速和流量。下圖為超聲波測流體流量的工作原理圖，圖中v為流體的平均流速，c為超聲波在流體中的速度，θ為超聲波傳播方向與流動方向的夾角，A、B為兩個超聲波探頭，L為其距離。1.時差法測流量

當(dāng)A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，超聲波傳播速度為c+vcosθ，于是順流傳播時間t1為：

當(dāng)B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，超聲波傳播速度為c-vcosθ，于是逆流傳播時間t2為：時差為：由于c>>v，于是上式可近似為：流體的平均流速為：該測量方法精度取決于的測量精度，同時應(yīng)注意c并不是常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。2.相位差法測流量

當(dāng)A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，接收信號相對發(fā)射超聲波的相位角為：

當(dāng)B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，接收信號相對發(fā)射超聲波的相位角為：相位差為：由于c>>v，于是上式可近似為：流體的平均流速為：該法以測相位角代替精確測量時間，因而可以進一步提高測量精度。3.頻率差法測流量

當(dāng)A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，超聲波的重復(fù)頻率f1為：

當(dāng)B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，超聲波的重復(fù)頻率f2為：頻率差為：流體的平均流速為：當(dāng)管道結(jié)構(gòu)尺寸L和探頭安裝位置θ一定時，上式中v直接與無關(guān)。可見該法將能獲得更高的測量精度。

有關(guān)，而與c值四、超聲波探傷1.穿透法探傷：穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對兩面，一個發(fā)射聲波，一個接收聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。當(dāng)在探測中工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。此法的特點：探測靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；適宜探測超聲波衰減大的材料；指示簡單，適用于自動探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測薄板；對兩探頭的相對距離和位置要求較高。2.反射法深傷a.一次脈沖反射法：下圖以一次底波為依據(jù)進行探傷的方法。高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖（發(fā)射波）加在探頭上，激勵壓電晶體振動，使它產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播，一部分超聲波遇到缺陷F時反射回來，另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B后也反射回來，都被探頭接收又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波T、缺陷波F及底波B經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。熒光屏上的水平亮線為掃描線（時間基準(zhǔn)），其長度與時間成正比。由發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線上的位置，可求出缺陷位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大??；由缺陷波的開頭可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。b.多次脈沖反射法探傷：多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)而進行探傷的方法。聲波由底部反射回至探頭時，一部分聲波被探頭接收，另一部分又折回底部，這樣往復(fù)反射，直至聲能全部衰減完為止，若工件中無缺陷，則熒光屏上出現(xiàn)呈指數(shù)曲線遞減的多次反射底波如下圖(b)所示。當(dāng)工件內(nèi)有吸收性缺陷時，聲波在缺陷處的衰減很大，底波反射的次數(shù)減少，甚至消失，以此判斷有無缺陷及嚴(yán)重程度，如下圖(c)、(d)。當(dāng)工件為板材時，為了觀察方便，一般常用多次脈沖反射法探測。7.1聲波的基本性質(zhì)7.2聲敏傳感器7.3超聲波傳感器7.4聲表面波傳感器7.5聲板波傳感器7.4.1SAW傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

7.4.2高分辨率SAW溫度傳感器

7.4.3SAW氣體傳感器

7.4.4SAW壓力傳感器

SAW傳感器的關(guān)鍵是SAW振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，有延遲線型和振子型兩種振蕩器，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

延遲線型SAW振蕩器由一組SAW發(fā)射接收電極（IDT）和反饋放大器組成，其振蕩頻率：式中VR為SAW傳播速度，L為兩個IDT之間的距離，φE為放大器相移量，n為正整數(shù)（與電極形狀及L值有關(guān)）。由上式可知，當(dāng)φE不變，外界被測參量變化時，會引起VR、L值發(fā)生變化，從而引起振蕩頻率改變Δf：振子型SAW振蕩器是在基片材料表面中央做成叉指換能器，并在其兩側(cè)配置兩組反射柵陣構(gòu)成，其振蕩頻率f0與叉指電極周期長度T及聲表面波傳播速度VR有關(guān)：因此，外界待測參量變化時會引起VR、T變化，從而引起振蕩頻率改變：所以，測出振蕩頻率的改變量即可求出待測參量的變化。這是SAW傳感器的基本原理。根據(jù)基片材料（壓電晶體）的逆壓電效應(yīng)，可制成SAW溫度、壓力、電壓、加速度、流量和化學(xué)傳感器，通過測量振蕩頻率的變化而獲得待測參量值，適合于高精度遙測、遙控系統(tǒng)。7.4.1SAW傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

7.4.2高分辨率SAW溫度傳感器

7.4.3SAW氣體傳感器

7.4.4SAW壓力傳感器

SAW溫度傳感器是根據(jù)溫度變化會引起表面波速度改變從而引起振蕩頻率變化的原理設(shè)計而成的。由于外界溫度變化所引起的基片材料尺寸變化量很小，在和中后邊一項都可以忽略。因此有：選擇適當(dāng)?shù)幕牧锨行停墒贡砻娌ㄋ俣萔R只與溫度T的一次項有關(guān)：其中T0為參考溫度由以上兩式可得：即振蕩頻率變化量與溫度變化率之間呈線性關(guān)系。若預(yù)先測出頻率-溫度特性，則由振蕩頻率的變化量可檢測出溫度變化量，從而得到待測溫度T。

SAW溫度傳感器可以制成接觸式和非接觸式兩種。前者要求將傳感器與被測物體直接接觸，由于基片、電池與元件的限制，其測量溫度不能太高，同時會破壞被測溫度場的分布，因此有一定局限性。非接觸式溫度傳感器不要求將傳感器與被測物體接觸，而是利用被測物體輻射出的紅外線使SAW振蕩器的傳播通路的表面溫度升高，伴隨振蕩頻率發(fā)生變化，通過測量振蕩頻率的變化來獲得溫度變化值。由于這種采用測輻射溫升方式，接收紅外輻射部分的熱容必須很小，否則靈敏度不高；另外，在室溫附近測量溫度時，易受環(huán)境溫度影響，所以應(yīng)使用兩個振蕩頻率相同的元件進行差分，并將它們安裝在同一個底座上封入同一外殼中。利用非接觸式SAW溫度傳感器可制成遠距離溫度無線遙測，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，其中SAW振蕩器和振蕩元件構(gòu)成溫度傳感器，輸出信號通過小型簡易天線發(fā)射出去，接收信號通過外差法變成低頻，并用IC計算器計頻，計數(shù)器的輸出送入微機并轉(zhuǎn)化為溫度值顯示出來。7.4.1SAW傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

7.4.2高分辨率SAW溫度傳感器

7.4.3SAW氣體傳感器

7.4.4SAW壓力傳感器

SAW氣體傳感器是以SAW元件為基底材料，在其上形成選擇性氣體敏感膜并配以外部電路而構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如上圖所示，敏感膜在SAW傳播通道上，當(dāng)敏感膜吸附氣體分子與氣體結(jié)合時，會引起膜密度和彈性性質(zhì)等發(fā)生變化，從而使表面波速度VR發(fā)生變化，結(jié)果導(dǎo)致振蕩頻率f0變化。通過檢測振蕩頻率的變化量即可測出被吸附氣體的濃度。下圖給出一個雙通道SAW氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖?；肶X切向的石英晶體，X方向為SAW傳播方向。一個延遲線振蕩器（即一個通道）由兩個叉指換能器組成，明顯圖中有兩個延遲線振蕩器。一個通道的SAW傳播路徑即在一個延遲線的兩個叉指換能器中間，被氣體選擇性吸附膜覆蓋，吸附了氣體的薄膜會導(dǎo)致SAW振蕩器振蕩頻率發(fā)生變化，由精確測量頻率的變化就可測的氣體濃度。另一通道未覆蓋薄膜用于參考，以實現(xiàn)對環(huán)境溫度變化的補償。兩個振蕩器的頻率經(jīng)混頻取差頻輸出，以實現(xiàn)對共膜干擾的補償。上圖給出SAW振蕩器的原理圖。當(dāng)SAW元件發(fā)射器的兩個電極上加有射頻電壓時，因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生于射頻信號相同頻率的RayleighSAW，并隨射頻電壓的周期變化而沿著壓電基片的表面經(jīng)延遲線向外傳播，直至接收器，接收器因正壓電效應(yīng)將SAW轉(zhuǎn)換為相同頻率的電信號。當(dāng)SAW在壓電基片上傳播時，其振幅及傳播速度將受到基片上氣體吸附膜性質(zhì)（膜厚、質(zhì)量密度、黏度、介電常數(shù)和應(yīng)變模量等）的影響。如果氣敏膜吸附有一定濃度的氣體，改變了其性質(zhì)，則會對SAW的振幅及速度的影響發(fā)生變化，輸出的射頻信號將隨之改變。

若SAW氣體傳感器的氣敏薄膜對氣體的吸附作用轉(zhuǎn)變?yōu)楦采w層的密度變化時，延遲線傳播路徑上的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)使SAW的波速發(fā)生變化，進而引起振蕩頻率的偏移；若薄膜的電導(dǎo)率隨所吸附氣體的濃度而變化時，會引起SAW的波速漂移和衰減；這兩種情況都是振蕩頻率發(fā)生變化。這樣，只需改變敏感膜的種類就能制成對不同氣體敏感的傳感器，如用三乙醇胺（TEA）為敏感膜對SO2的響應(yīng)相當(dāng)大，達到1400Hz/10-6。薄膜型SAW氣體傳感器的工藝結(jié)構(gòu)如右圖所示。在基底材料背面淀積一層加熱膜，基底正面淀積一層摻催化金屬的敏感膜（或在形成敏感膜后再采用淀積一層薄的催化金屬）。敏感材料和催化金屬材料視具體要檢測的氣體情況而定。若將一些相同的或不同的多種SAW傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成傳感器陣列，則有利于提高傳感器的可靠性和多功能性，能快速定量地分析有毒、有害、易燃、易爆的混合氣體。利用氣相層析裝置可檢測出低濃度違禁品，也可用于監(jiān)測大氣中CO2的濃度以及化工過程控制、汽車尾氣排放等。7.4.1SAW傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

7.4.2高分辨率SAW溫度傳感器

7.4.3SAW氣體傳感器

7.4.4SAW壓力傳感器

當(dāng)某種外力加到SAW基片上時會使基片材料的彈性系數(shù)和密度發(fā)生變化，表面波傳播的速度也發(fā)生變化；同時應(yīng)力引起基片應(yīng)變會使叉指電極間距改變，結(jié)果引起SAW振蕩頻率偏移。通過測量振蕩頻率的偏移值即可求出應(yīng)力值，從而獲得待測的外力。下圖示出振子型、結(jié)構(gòu)為獨石型的SAW膜片式壓力傳感器原理圖。它是在一塊壓電基片上用超聲波加工出一薄膜敏感區(qū)，上面是由換能器與電路組合成的振蕩器。為了提高測量精度，補償溫度對基片的影響，采用雙換能器形式，即薄膜區(qū)中間和邊緣各放置一只性能相同的換能器。當(dāng)膜片中間那只受到拉力作用時，邊緣一只受到壓力作用，傳感器的輸出為差頻信號。由于兩只換能器對溫度的影響相同，但作用相反，因此可使傳感器的分辨率達到0.001%。下圖中a、b為懸臂梁式結(jié)構(gòu)，其中圖a是用38°Y切石英基片的原理圖，基片正反面都光刻有叉指換能器，因此輸出為差頻信號且與溫度變化無關(guān)，也不受電源電壓變化的影響。它用于數(shù)字電子秤時，可省去A/D轉(zhuǎn)換器，滿量程為3kg時誤差小于0.6g。圖b是用漂移小的鋁合金代替石英作梁，梁的正反面粘貼著石英晶片SAW振子，工作頻率100MHz，也是輸出差頻信號，其精度和用途與上述石英梁的相似。圖c所示的壓力傳感器敏感元件是在鋁合金塊上開有眼鏡狀的雙孔，孔上面貼有石英基片SAW振子。受力后左孔上的振子基片受拉伸，而右孔的振子基片受壓縮，其效果同懸臂梁，但靈敏度高。7.1聲波的基本性質(zhì)7.2聲敏傳感器7.3超聲波傳感器7.4聲表面波傳感器7.5聲板波傳感器7.5.1APM傳感器原理

7.5.2APM傳感器的應(yīng)用

由叉指電極激發(fā)出的APM，位移方向與聲波傳播方向一致的稱為縱向APM（L—APM），垂直的稱為剪切APM，在剪切型APM中，位移方向垂直于晶面的為垂直剪切APM（SV—APM），平行的為水平剪切APM（SH—APM）。目前人們普遍使用的APM傳感器有兩種，即蘭姆波（Lamb）傳感器和水平剪切型聲板波（SH-APM）傳感器。下圖為Lamb傳感器的結(jié)構(gòu)，蘭姆波是一種柔性板波，用做Lamb傳感器的壓電基體目前普遍使用ZnO/Al/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)形成的一種復(fù)合材料，實際上也是一種復(fù)合薄膜。

可以將SH—APM看作是在基體的上下面之間以某一角度多次反射的SH平面波的疊加，上下面施加了一個橫向的諧振條件，使得每個APM在表面處的位移最大。因此，SH—APM和液體介質(zhì)接觸時，能量損耗很小；同時，在這種情況下可將基體板近似看作是各向同性材料，使得對APM傳感器的分析大大簡化。在APM傳感器中，聲波在晶體和外部介質(zhì)的界面處發(fā)生反射，介質(zhì)特性的微小變化，會改變界面處的機械和電學(xué)性能，引起SH—APM的反射特性變化。在界面處，聲場和相鄰介質(zhì)存在多種作用機制，包括電效應(yīng)、質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)及粘性傳輸效應(yīng)，對這一問題在此不作深入解釋。下圖為APM傳感器結(jié)構(gòu)，位于晶體底面的叉指電極激勵和接收聲波，根據(jù)電極周期、板厚及所加電信號頻率的不同，一般可激發(fā)出表面波（SAW）與體聲波（BAW），如淺表體波（SSBW）和聲板波（APM）。首先激勵頻率低時出現(xiàn)的是SAW，當(dāng)頻率增至高于表面波頻率時，最先出現(xiàn)的是SH—APM；緊接著才是準(zhǔn)SAW、SV—APM和L—APM。此外，由叉指電極激勵聲波，聲模式和晶體板厚也有很大關(guān)系。其中SAW和SSBW均不能到達和液體接觸的界面，輸出IDT檢測出的SAW和SSBW信號中不會含有有關(guān)液體性質(zhì)的任何信息。在APM傳感器中，因為SH—APM模式的APM在晶體和液體界面反射時，不會發(fā)生聲的模式轉(zhuǎn)換，也不會在液體介質(zhì)中產(chǎn)生壓縮波。

石英晶體中板厚對IDT激勵聲波模式有如下的影響：當(dāng)板厚和波長之比大于7時，激發(fā)出的主要是SAW；當(dāng)板厚和波長之比小于7時，才能激發(fā)出APM，且傳感器耦合為板波的效率與板厚