基本原理及其特性
發(fā)布時(shí)間:2011/8/11 10:46:53 訪問(wèn)次數(shù):1074
1.超聲波及其物理性質(zhì)
超聲波和聲波一樣,是一種機(jī)械振動(dòng)波,是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。超過(guò)20kHz稱為超聲波,檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為幾萬(wàn)赫茲到幾十兆赫茲,如圖6-52所示。
超聲波的種類如下所述。
①縱波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波,能在固體、液體和氣體介質(zhì)申傳播。
②橫波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波,只能在固體介質(zhì)中傳播。
③表面波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間,沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?BR> 超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí),僅有縱波的傳播,其傳播速度c為
式中,p為介質(zhì)的密度,玩為絕對(duì)壓縮系數(shù),都是溫度的函數(shù),使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。氣體中縱波聲速為344 m/s,液體中縱波聲速為900~1900m/s。在固體中,縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系,通?烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半,表面波聲速為橫波聲速的90%。
由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí),入射角α的正弦與反射角 β的正弦之比等于波速之比,臣口sinα/sinβ=C1/C2。隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加,由于介質(zhì)吸收能量而使超聲波強(qiáng)度有所衰減。
2.超聲波傳感器
利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)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見(jiàn)。
壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),可作為接收探頭。小功率超聲探頭多做探測(cè)用,有多種不同的結(jié)構(gòu)。40kHz超聲波探頭如圖6-53所示,型號(hào)為TCT40-2F(發(fā)射器)和TCT40-2S(接收器),兩者外形相同。
超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)如下。
(1)工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到晶片兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí),輸出的能量最大,靈敏度也最高。
(2)工作溫度
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高,特別是診斷用超聲波探頭的使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。
(3)靈敏度
靈敏度主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大,靈敏度高;反之,靈敏度低。
1.超聲波及其物理性質(zhì)
超聲波和聲波一樣,是一種機(jī)械振動(dòng)波,是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。超過(guò)20kHz稱為超聲波,檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為幾萬(wàn)赫茲到幾十兆赫茲,如圖6-52所示。
超聲波的種類如下所述。
①縱波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波,能在固體、液體和氣體介質(zhì)申傳播。
②橫波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波,只能在固體介質(zhì)中傳播。
③表面波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間,沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?BR> 超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí),僅有縱波的傳播,其傳播速度c為
式中,p為介質(zhì)的密度,玩為絕對(duì)壓縮系數(shù),都是溫度的函數(shù),使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。氣體中縱波聲速為344 m/s,液體中縱波聲速為900~1900m/s。在固體中,縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系,通?烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半,表面波聲速為橫波聲速的90%。
由物理學(xué)知,當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí),入射角α的正弦與反射角 β的正弦之比等于波速之比,臣口sinα/sinβ=C1/C2。隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加,由于介質(zhì)吸收能量而使超聲波強(qiáng)度有所衰減。
2.超聲波傳感器
利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測(cè)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見(jiàn)。
壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波,可作為發(fā)射探頭;而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào),可作為接收探頭。小功率超聲探頭多做探測(cè)用,有多種不同的結(jié)構(gòu)。40kHz超聲波探頭如圖6-53所示,型號(hào)為TCT40-2F(發(fā)射器)和TCT40-2S(接收器),兩者外形相同。
超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)如下。
(1)工作頻率
工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到晶片兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí),輸出的能量最大,靈敏度也最高。
(2)工作溫度
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高,特別是診斷用超聲波探頭的使用功率較小,所以工作溫度比較低,可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。
(3)靈敏度
靈敏度主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大,靈敏度高;反之,靈敏度低。
上一篇:應(yīng)用電路
上一篇:超聲波傳感器的發(fā)射電路
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