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1、9.1 声传感器 9.2 声表面波传感器9.3 超声波传感器9.4 微波传感器 习题,第9单元 波传感器,请你思考,考虑波的衰减主要取决于什么？目前的超声波测距传感器的测量准确度和响应速度？举出采用电气和机械方法产生超声波的方法。,波是指某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动。不同形式的波虽然在产生机制、传播方式和与物质的相互作用等方面存在很大差别，但在传播时却表现出多方面的共性，可用相同的数学方法描述和处理。波传感器的定义范围非常广，只要是利用波动原理制作而成的传感器都可以叫做波传感器。在本章中将介绍主要的几种波传感器。,9.1 声传感器,声波基本概念 1.声波 声波与振动是紧密相
2、关的，机械振动常常引起声辐射。物体振动时激励着它周围的空气质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下，振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。按照频率范围，声波可分为次声波、可听声波、超声波。可听声波的频率在16Hz20kHz之间。低于16Hz的振动产生的机械波称为次声波。频率超过20kHz的机械波称为超声波。,2.声波的波形 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波型也会不同。通常有以下三种：(1)纵波(2)横波(3)表面波3.声波的特性(1)声压(P)当声波传播时，某处的空气疏密地变化，使压强在大气压附近上下变化，相当于在原来的
3、大气压强上叠加一个变化的压强，这个叠加上去的压强就叫声压。通常所说的声压，是指一段时间内瞬时声压的均方根值(即有效声压)，故总是正值。对于正弦波形，有效声压等于瞬时声压最大值Pmax除以，即 一般来说，如未加说明，声压指有效声压。,(2)声功率 声波是能量传播的一种形式，因此也常用能量的大小来表示声音的强弱。声源在单位时间内向外辐射的声能量叫做声功率，用符号W表示，单位为W。(3)声强 声强也是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。它是指单位时间内(每秒钟)，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，用符号I表示，单位为W/m2。若声能通过的面积为S，则声强为 在无反射声波的自由场中，点声源
4、发出的球面波，均匀地向四周辐射声能，因此，距离声源中心为r的球面上的声强为,(4)声压级、声强级和声功率级 通常采用按对数方式分级的办法来表示声音大小,这就是声压级、声强级、声功率级。声压级(LP)声压级Lp指测量的声压P与参考声压Pref的比值取常用对数，再乘以20,单位为分贝(dB)，即,式中，参考声压Pref=210-5 Pa，为1kHz时的听阈。声强级(LI)声强级LI是指测量的声强I与参考声强Iref比值取常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即,声功率级(LW)声功率级是指测量的声功率W与参考功率Wref的比值取常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即,式中，参考功率Wre
5、f=10-12，为1HZ时听阈声功率值。由于在一定条件下，声压级、声强级、声功率级在数值上是相等的，因此，可将三者统一用声级表示。,式中，P，I分别为平面波在x处的声压和声强；P0，I0为平面波在x=0处的声压和声强；为衰减系数。5.声波的多普勒效应,4.声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，衰减的程度以衰减系数来表示。在平面波的情况下，其声压和声强的衰减规律如下,9.1.2 声敏传感器 声敏传感器是一种将在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置，它用接触或非接触的方法检出信号。声敏传感器的种类很多，按测量原理可分为压电、电致伸缩效应、电磁感应、静
6、电效应和磁致伸缩等等。,1.电阻变换型声敏传感器 按照转换原理将这类传感器可分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典型实例是碳粒式送话器，其工作原理如图所示，当声波经空气传播至膜片时，膜片产生振动，使膜片和电极之间碳粒的接触电阻发生变化，从而调制通过送话器的电流，该电流经变压器耦合至放大器经放大后输出。阻抗变换型声敏传感器是由电阻丝应变片或半导体应变片粘贴在膜片上构成的。当声压作用在膜片上时膜片产生形变，使应变片的阻抗发生变化，检测电路将这种变化转换为电压信号输出从而完成声-电的转换。,碳粒式送话器的工作原理图,2.压电声敏传感器 压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成
7、的。下图是压电传感器的结构图。压电晶体的一个极面和膜片相连接，当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，压电晶体在机械应力的作用下产生随声压大小变化而变化的电压，从而完成声电的转换。压电声敏传感器可广泛用于水声器件、微音器和噪声计等方面。,压电传感器的结构图,3.电容式声敏传感器(静电型)下图为电容式送话器的结构示意图。它由膜片、外壳及固定电极等组成，膜片为一片质轻而弹性好的金属薄片，它与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。当膜片在声波作用下振动时，膜片与固定电极间的距离发生变化，从而引起电容量的变化。如果在传感器的两极间串接负载电阻RL和直流电流极化电压E，在电容量随声波
8、的振动变化时，在RL的两端就会产生交变电压。电容式声敏传感器的输出阻抗呈容性，由于其容量小，在低频情况下容抗很大，为保证低频时的灵敏度，必须有一个输入阻抗很大的变换器与其相连，经阻抗变换后，再由放大器进行放大。,电容式送话器结构示意图,4.音响传感器 音响传感器包括：将声音载于通信网的电话话筒；将可听频带范围(20Hz20KHz)的声音真实地进行电变换的放音、录音话筒；从媒质所记录的信号还原成声音的各种传感器等。根据不同的工作原理(有电磁变换、静电变换、电阻变换、光电变换等)，可制成多种音响传感器。下面介绍一种音响传感器水听器。一般来说，水声观测设备主要由两部分组成，一是电子设备产生、放大、接
9、收和指示电信号的部分，它具体包括发射机、接收机、指示器等；二是水声换能器它的作用是完成电声信号的转换。下图是几种常用的水声设备的作用示意图。,(a)被动式声呐,(b)主动式声呐,几种水声设备的工作示意图,当水声换能器工作在发射状态时，它的任务就是把电的振荡能转换为机械系统的振动能，再推动水介质向外辐射声能量。当水声换能器工作在接收状态时，它的任务和发射状态时相反，即先把水介质中的声信号通过机械振动系统耦合到电路中并变成电信号，然后再把电信号送到接收或指示设备上去。,(c)水声通信仪,9.2 声表面波传感器9.2.1 概述 声表面波(SAWSurface Acoustic Wave)是英国物理学
10、家瑞利在1886年研究地震波过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波谐振器的核心是叉指换能器。基于声表面波谐振器的频率特性，配上必要的电路和结构，可以实现敏感许多参数的声表面波传感器。SAW传感器主要有以下优点。1.高准确度、高灵敏度。2.结构工艺性好，便于批量生产。3.体积小，质量小，功耗低，易于集成。4.与微处理器相连，接口简单。,9.2.2 SAW传感器的基本原理 SAW传感器的基本原理是在压电材料表面形成叉指换能器，构成SAW振荡器或谐振器，适当设计SAW振荡器或谐振器，使其对微细的待测量敏感。一般是使被测量作用SAW的传播路径，引起SAW的传播速度发生变化，从而使振荡频率
11、发生变化，通过频率的变化检测被测量。1.声表面波叉指换能器 图7-11所示为叉指换能器的基本结构，它由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成，这些电极条互相交叉放置，两端由汇流条连在一起，其形状如同交叉平放的两排手指，故称为均匀(或非色散)叉指换能器。,当在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后，在电基片内部的电场分布如图所示。该电场可分解为垂直与水平两个分量EV和EH。由于基片的逆压电效应，这个电场使指条电极间的材料发生形变，使质点发生位移，EH使质点产生平行于表面的压缩(膨胀)位移，EV则产生垂直于表面的剪切位移。这种周期性的应变就产生沿叉指换能器两侧表面传播出去的SAW，其频率等于
12、所施加电信号的频率。,叉指换能器的基本结构,叉指电极下某一瞬间的电场分布,2.声表面波谐振器 声表面波谐振器有两种实现方式。一种以声表面波谐振子(SAWRSurface Acoustic Wave Resonator)为核心，一种以声表面波延迟线为核心，再配以适当的放大器组成。由SAWR构成的声表面波谐振器是目前在甚高频和超高频段实现高Q值的唯一器件。SAWR由一对叉指换能器及金属栅条式反射器构成，如图所示,SAWR基本结构,9.2.3 声表面波传感器的应用1.SAW压力传感器 SAW压力传感器通常采用周边固定的石英膜片为敏感元件。由于敏感膜片受到的压力与该作用力引起的SAW振荡器输出频率的变
13、化具有对应关系，因此通过测量SAW的输出频率偏移，即可得知压力的大小。下面是SAW压力传感器结构原理图。,SAW压力传感器的原理结构图,2.SAW气敏传感器 在SAW气敏传感器中，要使SAW器件对某些特殊气体敏感，需要在延迟线的两个叉指换能器之间，即声表面波的传播路径上敷设一层具有特殊选择性的吸附膜，该吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。吸附膜吸收了环境中的某种特定气体，使基片表面性气体成分的含量增多。为了实现对环境温度变化的补偿，SAW气敏传感器大多采用双通道延迟线结构。,气敏传感器的原理结构,9.3 超声波传感器 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的各行各业都要使用的通用技术
14、之一。超声波技术是通过超声波产生、传输及接收的物理过程完成的。通常，20kHz以上频率的高频声波称为超声波。超声波的应用都必须借助于超声波探头(换能器或传感器)来实现。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声探伤、超声清洗、超声焊接、超声检测和超声医疗等方面，无论在使用效果、经济价值以及适用范围方面，都有着良好的发展前景。,超声波具有以下四个基本特性:1.束射特性 2.吸收特性 3.高功率 4.声压作用,上述基本特性使超声波在媒体中产生如下效应：机械效应、热学效应、空化效应、声流效应和生物学效应。超声波的波型、转换方式以及传输速度等方面同声波一致。,9.3.1 超声
15、波传感器的工作原理 超声波传感器是检测伴随超声波传播的声压或介质形变的装置。利用压电效应、电应变效应、磁应变效应、光弹性效应等应变与其它物理特性相互作用的方法，或用电磁的、静电的或光学的手段等可检测由声压作用产生的振动。超声检测技术的基本原理通常是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液面、厚度、缺陷等)与某些描述媒质声学特性的超声量(如声速、衰减、声阻抗等)之间存在着的直接或间接关系，在探索到这些关系的规律之后就可通过超声量的测定来测出那些待测的非声量。超声波传感器的敏感元件多用压电晶体，依据的原理是压电效应。,右图是超声波传感器结构图。它采用双晶振子，即把
16、双压电片以相反极化方向黏在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，分别用引线接到两个电极上。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波。接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，产生高频电压。,超声波传感器结构图,下图是双晶振子超声波传感器的工作原理示意图。若在双晶振子上施加40kHz的高频电压，根据逆压电效应，压电陶瓷片a、b就随所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声
17、波接收器。图中接收器中也有与发射器结构相同的双晶振子，若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，由于压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就产生压电效应，一面产生正电荷，另一面产生负电荷；于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。,超声波传感器的工作原理示意图,下图是超声波传感器的等效电路与阻抗特性。图(a)为等效电路，相当于L0、C0、R0串联与CP并联的电路，这些参数之间关系如图所示。图(b)为阻抗特性，振子阻抗Z随频率f而变化，Z最小时为串联谐振频率fr，最大时为并联谐振频率fa。然而，传感器的数据表中都没有记载这
18、两种频率，一般用标称频率来表示。,超声波传感器的等效电路与阻抗特性,超声波传感器的选择性用振子Q值进行评价，Q值是表示谐振频率时振子振动特性的尖锐程度。若电容为C，则Q值可按下式进行计算，这时的Q用Qm表示，即,该式计算比较复杂，一般采用下式进行简单计算，这时Q用Q0表示，即,式中，、为振幅低于谐振点3dB时的上下限频率。,9.3.2 超声波传感器的分类 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。1.压电式超声波传感器 压电式超声波探头按其结构和使用的波型不同又可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头
19、和其它专用探头等。2.磁致超声波型超声波传感器 此外还有电磁型超声波传感器，有振动板的超声波传感器，弹性表面波传感器，光纤超声波传感器等类型的超声波传感器。,9.3.3 超声波传感器的应用1.超声测距传感器 从发射器发出的超声波，经目标反射后沿原路返回接收器所需的时问，即渡越时间。通过测量渡越时间，利用介质中已知的声速即可求得目标与传感器的距离。超声测距传感器主要应用于导航和避障，其它还有焊缝跟踪，物体识别。超声测距传感器探测距离为15200mm，分辨力为0.1mm。,2.超声波探伤仪 超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊接等材料中的缺陷(如裂缝、气
20、孔、夹渣等)、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。超声波探伤因具有检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，因而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得到广泛的应用。,3.超声波诊断仪 超声波诊断仪是通过向体内发射超声波(主要采用纵波)，然后接收经人体各组织反射回来的超声波并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。由于超声波对人体无损害、操作简便、结果迅速、受检查者无不适感、对软组织成像清晰，因此，超声波诊断仪已成为临床上重要的现代诊断工具。超声波诊断仪类型较多，最常用的有A型超声波诊断仪、M型超声波心电图仪和B型超声波断层显像仪等。此外还有
21、超声波测厚，超声波物位测量，超声波流量测量等应用。,9.4 微波传感器9.4.1 微波的性质与特点 微波是波长为lmlmm的电磁波，可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波，是一种相对波长较长的电磁波，微波具有下列特点：(1)空间辐射的装置容易制造；(2)遇到各种障碍物易于反射；(3)绕射能力较差；(4)传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小；(5)介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。,1.微波振荡器与微波天线 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高(300MHz300GHz)，要
22、求振荡回路具有非常微小的电感与电容，故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10cm以上可用同轴线)传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形天线，抛物面天线，介质天线与隙缝天线等。,2.微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以要选择使电流电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通
23、常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS(Safety-instrumented system)检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属氧化物金属构成的隧道结元件。,9.4.3 微波传感器的分类与特点 根据微波传感器的原理，微波检测传感器可分为反射式与遮断式两种。微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有以下特点：1.有极宽的频谱(波长=1.0mm1.0m)可供选用，可根据被测对象 的特点选择不同的测量频率；2.在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣
24、环境下工作；3.时间常数小，反映速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；4.测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；5.微波无显著辐射公害。,9.4.4 微波传感器的应用1.微波液位仪 微波液位仪原理如图7-29所示。相距为S的发射天线与接收天线，相互成一定角度。波长为的微波信号从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的微波功率的大小将随着被测液面的高低不同而异。,微波液位仪,2.微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场
25、作用而反复取向，不断从电场中得到能量(储能)，又不断释放能量(放能)，前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。这个特性可用水分子自身介电常数来表示，即,式中,储能的度量；,衰减的度量；,常数,3.微波测厚仪微波测厚仪利用微波在传播过程中遇到金属表面会被反射，且反射波的波长和速度都不变的特性进行测量。其原理图如图所示。,微波测厚仪原理图,在被测金属上、下两面各安装有一终端器。微波信号源发出的微波，经环行器A、上传输波导管传输到上终端器。由上终端器发射到被测金属上表面的微波，经全反射后又回到上终端器，再经传输波导管、环行器A、下传输波导管送到下终端器。由下终端器发射到被测金属下表面的微波，经
26、全反射后又回到下终端器，再经传输波导管回到环行器A。因此被测金属的厚度与微波传输过程中的电行程长度密切相关，即被则金属厚度增大时微波电行程长度便减少。,4.微波物位计 如图所示为微波物位计原理图。当被测物体位置较低时，发射天线发出的微波束全部被接收天线接收，经检波、放大与设定电压比较后，发出物位正常信号。当被测物位升高到天线所在高度时，部分微波束被物体吸收，部分被反射，接收天线接收到的微波功率相应减弱，经检波、放大与设定电压比较，低于设定电压值，微波计就发出被测物体位置高出设定物位的信号。,微波开关式物位计,5.微波多普勒传感器 微波同光波一样，也能发生多普勒效应。利用微波多普勒效应可以探测运动物体的速度、方向与方位。多普勒频率为,式中，为物体的运动速度；为微波信号波长；为方位角。在确定、中任意两个参数后，即可测出第三个参数。微波多普勒传感器的应用非常广泛，例如多普勒测速仪可用于交通管制的车辆测速雷达，水文站用的流速测定仪，海洋气象站用来测定海浪与热带风暴，火车进站速度监控等。,习题,简述声波的基本概念。声波的衰减主要取决于什么？并做简单介绍。简单介绍SAW的基本原理和主要优点。,
