传感器与检测技术讲义第9章超声波传感器.docx
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传感器与检测技术讲义第9章超声波传感器
第9章超声波传感器
超声技术是一门以物理、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之一。
我国对超声波技术及其传感器的研究十分活跃，目前超声波技术已广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，具有良好的社会效益和经济效益。
9.1超声波及其性质
1．超声波的频率范围
超声波是听觉以外的振动。
打击乐器、弹奏钢琴，可听到响声，这是由于乐器的振动，经过周围的空气，传送到人耳，振动耳膜，使听觉神经感受到响声。
而音的高低取决于振动数的多少，音的强弱取决于振幅的大小。
一般人耳可听见的声波数范围为16Hz～20kHz，但此频率范围的界限与音的强度或个人听觉有关系，所以一般人耳的感音范围大致可绘成如图9-1所示的关系图。
因此，超声波的声波数下限当然也不易确定，通常将20kHz以上的音波称为超声波（Ultrasonicwave）。
但是听到、听不到只是人耳的感觉问题，有时为了配合使用，也将频率降至10kHz，但有时也可能将频率升到1000MHz。
图9-1人耳感音频率范围
2．超声波的种类
根据超声波的发射方式的不同，超声波的种类大致上可分为5类，如图9-2所示。
图（a）中的纵波（LongitudinalWave）又称为压缩波（CompressionWave），介质粒子的振动与波的进行方向一致，专供强力超声波的运用。
图（b）所示为纵波，比起图（a）中的纵波，波速慢了许多，主要是因为此类纵波是在直径较小的棒中传输。
图（c）所示为横波（TransverseWave）又称为剪断波（ShearWave，S波）介质粒子的振动与垂直波的进行方向一致，常用于超声波探勘计等的计测。
图（d）所示为表面波（SurfaceWave）又称为Rayleigh。
图（e）所示为弯曲波（FlexuralWave，BendingWave），它是在棒或板的绕曲振动时出现的，在沿波进行方向的中心线上介质粒子进行横振动，接近介质表面的粒子进行压缩、伸张运动。
图9-2超声波的种类
3．超声波的波速与波长
超声波的波速C、波长、频率f之间的关系为
C=f×
表9-1为超声波在各种介质中的波速，图9-3所示为超声波在空气、水、金属中的波长与周期波数的关系，图中以实线和虚线区分超声波的使用范围。
由上述可知，纵波的音速在常温空气中约3.4×104cm/s，在水中为1.4×105cm/s，铝中为6.22×105cm/s，如果发射一个超声波的频率为40kHz，则可利用C=f×求出，超声波在空气中，水中及铝中的波长为
空气中：
水中：
铝中：
表9-1超声波在各种介质中的波速
介质
纵波速度
（×105cm/s）
密度
（g/cm3）
声音阻抗c
（×105）
铝
6.22
2.65
1.70
钢
5.81
7.8
4.76
镍
5.6
8.9
4.98
镁
4.33
1.74
0.926
铜
4.62
8.93
4.11
黄铜
4.43
8.5
3.61
铅
2.13
11.4
2.73
水银
1.46
13.6
1.93
玻璃
4.9～5.9
2.5～5.9
1.81
聚乙烯
2.67
1.1
0.924
电木
2.59
1.4
0.363
水
1.43
1.00
0.143
变压器油
1.39
0.92
0.128
空气
0.331
0.0012
0.000042
4．超声波的损失
理想情况下，超声波发射出去后，会一边扩大，一边直线前进，只要介质没有吸收超声波的性质，超声波的强度不论传到任何地方都不会减弱。
但实际上超声波的强度会随着距离的增加而逐渐减弱，其原因有二：
一是随着距离的增加波面会扩大，从而造成扩散损失；二是超声波会被传播介质吸收及散射，从而造成波动能量的损失（一般称为吸收损失，也称为衰减）。
图9-4所示为超声波在各类介质中的衰减情形，读者在图中将会发现频率越低的超声波衰减越小。
图9-3空气、水、金属中的波长及频率图9-4超声波的衰减
5．超声波的指向性
如图9-5所示，使一个半径为R的圆板波源呈活塞状振动，发射出具有波长的超声波，则其指向角可以表示为sin=/R。
例如，从直径30mm的振动因子，对油中发射出1MHz的超声波，使得/R=10，于是其指向角=4°。
可见，欲使超声波角度集中，可将减小或增大R，但一般以减小居多。
6．超声波的反射、透射与折射
当超声波由一种介质以某一角度进入另一种性质不同的介质时，一部分会反射，其余的会穿透过去。
这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。
所谓特性阻抗即为介质的密度（）与音速（C）的乘积。
假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，如图9-6所示，则声波的反射率可用下式表示：
由上式可知，两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。
超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率T可以用下式表示：
图9-5超声波的指向性图9-6超声波的反射与透射
表9-2所示为各种介质间的反射率（%）。
例如，水至空气之间的反射率为100%，表示超声波在水中传播时，完全不会外泄露到空气中。
表9-2各种介质间反射率
介质
沿交界面法线入射的超声波能量反射率（%）
空气
变压
器油
水
电木
聚乙烯
玻璃
水银
铅
黄铜
铜
镁
镍
钢
铝
铝
100
74
72
42
50
2
1
3
14
18
9
24
20
0
钢
100
89
88
76
77
31
16
9
1
0.3
4.3
0.2
0
镍
100
90
89
75
79
34
19
12
2
0.8
47
0
镁
100
58
54
19
27
2
12
20
36
40
0
铜
100
88
87
71
75
19
13
7
0.2
0
黄铜
100
87
86
68
73
23
10
5
0
铅
100
80
79
55
62
9
1
0
水银
100
76
75
6
8
4
0
玻璃
100
67
65
32
40
0
聚乙烯
100
17
12
1
0
电木
100
23
18
0
水
100
0
0
变压器油
100
0
空气
0
如图9-7所示，在不同介质间设厚度为L的其他介质，传播超声波时，若遮断超声波，此时的透射率T1为
式中，K=2pf/C2，Z1=1C1，Z2=2C2，Z3=3C3，f为超声波的频率。
若邻接中间介质的左右介质相同，即Z1=Z2时，则T1可简化为
由上式可推论得知，越增大穿透率T1，可以使中间层Z2尽量接近Z1，而且用薄板（使L越小越好）或厚度为超声波半波长的整数倍的板。
若按此要领设计则穿透率T1变成
如图9-8所示，如果超声波斜着射入固有特性阻抗不同的交界面时，超声波会发生折射，令入射角为i，折射角为t，C1为入射前的波速，C2为折射后的波速，其关系可以用下式表示
图9-7不同媒质间的反射与透射图9-8超声波的折射
7．超声波的空洞现象
在液体中发射强力超声波时，若发射的超声波为纵波，在液体中又发生负压过大现象时，负压会将液体拉裂，发生空孔，此即空洞现象。
图9-9所示为空洞的发生示意图。
此类现象具有氧化、搅拌、破坏等各种作用，所以有时超声波也常常用来做氧化、还原反应及洗净等工作。
图9-9空洞的发生
8．超声波的衰减
声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。
其声压和声强的衰减规律为
式中，
、
为距声源x处的声压和声强；x为声波与声源间的距离；为衰减系数，单位为Np/m（奈培/米）。
声波在介质中传播时，能量的衰减取决于声波的扩散、散射和吸收。
在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。
散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。
吸收衰减是由介质的导热性、黏滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。
9．超声波的干涉
如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。
由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。
两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。
每相距/2的这些点上，介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质位移最大的点称为波腹。
由于超声波的干涉，在辐射器的周围将形成一个包括最大和最小的超声场。
9.2超声波发生法与振动因子的设计
目前较常用的超声波发生法见表9-3。
表中分机械性振动与电气驱动两种，在本节中将对电气驱动式超声波做详细介绍。
电气驱动式超声波依驱动原理可分为压电式、电伸缩式、磁伸缩式3种。
表9-3超声波发生方法
驱动方法
驱动原理
振动子
发生周期数/kHz
介质
电气式
压电式
水晶Rochelle盐ADP
20～30000
0.2～1000
0.2～1000
气体、液体、固体
液体、固体
液体、固体
电伸缩式
钛酸钡
锆酸钛酸铅
10～10000
液体、固体
磁伸缩式
镍AF合金Ferrite
10～100
气体、液体、固体
机械式
Pohlman笛
5～50
液体
Galton笛
2～100
气体、液体
Siren
0.2～250
气体、液体
1．压电式振动因子
压电式超声波是利用压电晶体，加入电压后，产生的自由振荡信号。
所使用的振动因子材料有3种，即水晶、Rochelle盐及ADP（AmmoniumDihydrogenPhosphate），图9-10所示为这三类材料的结晶形态。
表9-4为各结晶体的切削角度及其电气特性。
图9-10压电材料的结晶形态
表9-4各结晶体的切削角度及其电气特性
材料
CUT
振动样式
电介质常数ε
（e∙s∙u）
密度
（g/cm3）
周波长常数N
（kHz∙cm）
压电伸缩常数
（mks）
电气机械结合系数（%）
水晶
Rochelle盐
ADP
×
45°×
45°×
厚度
纵
纵
2.5
300
15.5
2.65
1.77
1.80
285
160
160
0.05
0.09
0.177
9.5
65
28
2．电伸缩式振动因子
电伸缩材料不同于水晶类压电材料，可烧结任意形状、尺寸的振动因子，图9-11所示为6种电伸缩式材料常用烧结的形状。
在电伸缩材料的两电极间加入直流高电压并使得正负变化，此时材料尺寸会有伸缩现象，因此会压缩空气，形成振荡，传送出振动信号。
电伸缩式超声波信号送出的形式和材料的形状有关，如图9-11所示，其形状不同，所产生的信号振动方式也不同。
经常使用的电伸缩形式的材料有钛酸钡及锆酸钛酸铅两种。
表9-5为材料特性及一般用途。
图9-11电伸缩振动因子的振动形态
表9-5电伸缩材料的材质特性
常数
单位
钛酸钡
锆酸钛酸铅
C
3D
7
7A
8
密度
Poisson比
电介质常数
损失系数
g/cm3
5.4
0.28
1150
0.01
7.6
1.32
450
0.03
7.6
0.32
1200
0.01
7.6
0.32
600
0.01
7.8
0.32
1500
0.02
周波长系数
径向振动N1
长度方向振动N2
纵方向振动N3
厚度方向振动N4
kHz∙cm
308
288
277
252
250
184
175
200
225
162
159
206
235
175
160
220
220
164
150
200
续表
常数
单位
钛酸钡
锆酸钛酸铅
C
3D
7
7A
8
电气机械结合系数
径向Kp
长度方向K31
纵方向K33
cm2
0.30
0.18
0.48
0.30
0.20
0.50
0.52
0.30
0.60
0.53
0.30
0.62
0.55
0.33
0.68
杨氏系数
K31
K33
×1012dyne
1.13
1.12
1.03
0.93
0.80
0.77
0.93
0.77
0.86
0.70
电压率
d31
d33
×1012m/V
60
140
39
0.3
109
223
69
163
132
296
电压输出系数
g31
g33
×105V∙m/N
8
14
10
26
10
22
12
25
11
27
机械性：
Q
400
200
800
800
500
居里温度
℃
120
290
330
320
260
温度系数
周波温度系数
容量温度系数
×105/℃
×103/℃
55
2.0
20
5.0
20
2.5
25
3.0
25
2.8
注：
钛酸钡的周波温度系数在0～60℃，容量温度系数是在20～60℃测定。
锆酸钛酸铅分别在20～60℃和-20～60℃测定。
3．磁伸缩式振动因子
将镍等强磁性体做成棒状，置于磁场中磁化，其长度会沿磁化方向发生变化，此即磁伸缩现象。
较常用的材质有镍、alufer合金（AF合金、AL12%、Fe88%）、ferrite烧结金属，依金属材质的不同，其磁伸缩率各不相同，图9-12所示为各种形状的磁伸缩式振动因子，表9-6为其材料特性。
图9-12各种形态的磁伸缩
表9-6磁伸缩材料的特性比较
名称
纯镍
Alufer
Ferrite
成分
Ni98%以上
Fe87%，Al13%合金
Ni—Cu系Ferrite
导磁系数
40
190
20
固有电阻（∙cm）
7×106
91×106
4×102以上
电气机械结合系数（%）
20～30
20
22
密度（g/cm3）
8.9
6.7
5.0
波速（m/s）
4800
4700
5700
静磁伸缩饱和应变
-40×106
35×106
-30×106
最适偏移磁场（Oer）
10～15
6～10
10～15
耐蚀性（海水中）
良
稍好
极佳
机械强度（kg/cm3）
*2×106
*1.4×106
（1）8.4×103
（2）4×102
（3）9.8×102
*杨氏系数，
（1）压缩强度，
（2）抗拉强度，（3）抗折强度
综上所述，可将压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性做比较，见表9-7。
表9-7压电、电伸缩、磁伸缩各振动因子的特性比较
振动原理
压电
电伸缩
磁伸缩
振动子材质
水晶
钛酸钡
锆酸钛酸铅
NiandAlufer
Ferrite
最适使用周波数
1MHz以上
200kHz～2MHz
50kHz以下
100kHz以下
电气特性变化效率
80%以上
80%以上
20%～25%
80%以下
最大电气输入（水中）
—
6W/cm2
6～10W/cm2
6W/cm2
连续电气输入（水中）
—
3～6W/cm2
6～10W/cm2
3～6W/cm2
9.3超声波传感器的结构
图9-13压电式超声波传感器结构
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器、探测器或传感器。
超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁伸缩式、电伸缩等，而以压电式最为常用。
压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。
它是利用压电材料的压电效应来工作的，逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。
超声波探头结构如图9-13所示，主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。
压电晶片多为圆板形，厚度为。
超声波频率f与其厚度成反比。
压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板。
阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。
如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。
9.4超声波传感器的基本电路
1．超声波传感器的驱动电路
发射用的超声波传感器的驱动方式有自激型与他激型之分。
1）自激型驱动电路自激型振荡电路就像石英振子那样，利用超声波传感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡。
图9-14所示的是自激型晶体管振荡电路，其中MA40A3S是振荡频率为40kHz的超声波传感器。
图9-14（a）所示的是科耳皮兹振荡电路。
超声波传感器在电感性的频率下产生振荡。
该振荡频率与串联谐振频率不一致，造成这种现象的原因是由于反谐振频率对它的影响，具体地讲就是C1、C2的调整会影响fr。
图9-14（b）所示的是一个具有振荡控制端的自激型晶体管振荡电路。
由于它将图9-14（a）中的地接到了晶体管VT2的集电极上，因此当VT2截止时振荡就会停止。
图9-14自激型晶体管振荡电路
图9-15使用运算放大器的自激放大电路
图9-15所示的是自激型运算放大器振荡放大电路，元件清单见表9-8。
该电路的振荡频率接近串联谐振频率，因此效率会比自激型晶体管振荡电路高出许多。
该电路中使用的运算放大器是两只封装在一起的摩托罗拉公司的MC34082型集成电路。
事实上转换速度只要是在10mV/ms以上的运算放大器，都可以使用。
表9-8元件清单
名称
图中代号
型号
备注
运算放大器
U1A
MC34082
FET输入，两只装
电阻器
R1、R2
5%，1/4W
碳膜电阻器
电容
C1
5%，50V
聚酯薄膜电容
超声波传感器
MA40A3S
谐振频率40kHz
2）他激型驱动电路图9-16所示为使用时基电路555的他激型振荡电路，元件清单见表9-9。
在他激型驱动电路中，具有可以自由选择振荡频率的优点，当然这也带来了频率不够稳定的缺点。
图9-16使用时基电路555的他激型振荡电路
表9-9元件清单
名称
图中代号
型号
备注
定时器集成电路
U1
NE555
电阻
R3、R4
5%，1/4W
碳膜电阻
电阻
R1、R2
2%，1/4W
金属膜电阻
晶体管
VT1
2SC1815
50V、0.1A以上
电位器
VR1
单圈旋转型
碳膜电位器
电容
C1～C3
5%，50V
聚酯薄膜电容
超声波传感器
MA40A3S
谐振频率40kHz
555电路在10kHz以下时的振荡频率温度系数为50ppm/℃，当频率进一步提高时频率温度特性会变差，在40kHz时变为100～200ppm/℃。
由此推算，当温度变化10℃时频率的变化量约为100Hz，这么大的变化量还不足以影响超声波传感器的正常工作。
这里讲的温度系数只是其自身的温度系数，不包括元器件温度系数的影响。
不过，只要R1、R2选用温度系数小的金属膜电阻器，C1选用温度系数小的聚丙烯薄膜电容器或聚苯乙烯薄膜电容器即可。
在宽带域超声波传感器的情况下，因为其通频带较宽，所以也可以使用聚酯薄膜电容器。
图9-17所示为门电路驱动的电路。
图9-17（a）所示的是振荡电路。
4049B内共有6个电路，其中的两个电路用于构成振荡电路，另外的4个用于驱动超声波传感器。
图9-17（b）所示为振荡可控型电路。
4011B构成振荡电路，用NAND电路实现振荡控制。
控制电压为H（高电平）时产生振荡，控制电压为L（低电平）时停止振荡。
超声波传感器的驱动是4049B来完成的。
图9-17由门电路构成的振荡电路
2．超声波传感器的接收电路
1）使用运算放大器的接收电路超声波传感器接收的信号，最大时约为1V；最小时约为1mV。
为了将该电压放大到后续电路易于处理的电压，增益至少也应当达到100倍以上。
图9-18所示为使用运算放大器的放大电路，元件清单见表9-10。
频率高达40kHz，因此运算放大器必须是高速型的。
而对于精度和失真度的要求却比较宽容，所以只需要通用型的TL080系列和LF356、LF357、MC34080系列即可。
如果增益不足，可以不由U1A直接输出，而是再增加一级放大器；而且这时每一级放大器的增益也可以降低到100以下。
图9-18使用运算放大器的电路（100倍增益）
表9-10元件清单
名称
图中代号
型号
备注
运算放大器
U1A
MC34082
FET输入，两只装
超声波传感器
MA40A3R
谐振频率40kHz
电阻
R1、R2
5%，1/4W
碳膜电阻器
电容
C1
10%，50V
陶瓷电容器
2）使用视频放大器的接收电路图9-19所示为使用视频放大器LM733的接收电路，元件清单见表9-11。
LM733的增益可以设定为10倍、100倍和400倍；考虑到增益越大其输入阻抗越小，在增益为100时使用它。
因为其输入和输出都采用差动放大方式，所以有必要将差动电压输出转换成单端输出，这样就需要图9-19中那样使用输出变压器。
这里也可以使用ST12进行电压放大。
输入端的二极管和输出端的雪崩二极管都是起保护作用的。
图中还给出了在不使用变压器时，可以使用运算放大器替代变压器的方法。
3）使用比较器的接收电路图9-20所示为使用比较器集成电路LM933的接收电路，元件清单见表9-12。
比较器和运算放大器一样不进行相位补偿，因此也可以像运算放大器那样高速运行。
图9-19使用视频放大器LM733的放大电路（增益在200倍以上）
表9-11元件清单
名称
图中代号
型号
备注
视频放大器
U1
LM733
超声波传感器
MA40A3R
谐振频率40kHz
二极管
VD1、VD2
1S1588
VD3、VD4
05Z5.1
5.1V的雪崩二极管
输出变压器
T1
ST12
电阻
R1～R3
5%，1/4W
碳膜电阻器
电容
C1
10%，50V
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