無人機(jī)傳感器技術(shù) 20.超聲波傳感器（優(yōu)化稿）

超聲波傳感器主講教師：《無人機(jī)傳感器技術(shù)》超聲波及其物理性質(zhì)1探頭及耦合技術(shù)2目錄01超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)1.1超聲波的基本概念（1）聲波頻率范圍

次聲波是頻率低于20Hz的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，8Hz左右的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。次聲波超聲波及其物理性質(zhì)1.1超聲波的基本概念（1）聲波頻率范圍頻率介于20Hz~20kHz的是可聞聲波?？陕劼暡ǔ暡捌湮锢硇再|(zhì)1.1超聲波的基本概念（1）聲波頻率范圍超聲波是頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，反射能力越強(qiáng)。超聲波超聲波及其物理性質(zhì)1.1超聲波的基本概念（2）探頭超聲波及其物理性質(zhì)1.1超聲波的基本概念縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波?？僧a(chǎn)生在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的各種介質(zhì)中。（3）超聲波的傳播方式超聲波及其物理性質(zhì)1.1超聲波的基本概念橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。只存在于固態(tài)的介質(zhì)中。（3）超聲波的傳播方式超聲波及其物理性質(zhì)1.1超聲波的基本概念表面波一種前進(jìn)的重力波，質(zhì)點(diǎn)在固體表面平衡位置附近作橢圓軌跡振動(dòng)，介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā＃?）超聲波的傳播方式超聲波及其物理性質(zhì)1.2超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度是指超聲波在單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度，傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度。超聲波及其物理性質(zhì)1.3超聲波的特點(diǎn)超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，反射能力越強(qiáng)。它的指向性很好，能量集中，穿透性強(qiáng)，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。超聲波及其物理性質(zhì)1.4超聲效應(yīng)（1）機(jī)械效應(yīng)超聲波的機(jī)械效應(yīng)可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。超聲波振動(dòng)可引起組織細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，由于超聲的細(xì)微按摩，使細(xì)胞漿流動(dòng)、細(xì)胞震蕩、旋轉(zhuǎn)、摩擦、從而產(chǎn)生細(xì)胞按摩的作用，使細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞的功能變化，使堅(jiān)硬的結(jié)締組織延伸，松軟。超聲波及其物理性質(zhì)1.4超聲效應(yīng)（2）空化效應(yīng)超聲空化就是指液體中的微小氣泡核在超聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速膨脹，然后突然閉合，液體中形成的微小氣泡被壓碎。超聲波及其物理性質(zhì)1.4超聲效應(yīng)（2）空化效應(yīng)每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。超聲波及其物理性質(zhì)1.4超聲效應(yīng)（3）熱效應(yīng)由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。超聲波及其物理性質(zhì)1.4超聲效應(yīng)（4）化學(xué)效應(yīng)超聲波可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。比如：純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫，溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸等。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過程，對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過程也有明顯影響。探頭及耦合技術(shù)02探頭及耦合技術(shù)2.1超聲波測(cè)距原理超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。探頭及耦合技術(shù)2.2超聲波探頭

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。探頭及耦合技術(shù)2.2超聲波探頭a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭1-插件2-外殼3-阻尼吸收快4-引線5-壓電晶體6-保護(hù)膜8-延遲塊7-隔離層9-有機(jī)玻璃斜楔塊10-試件11-耦合劑探頭及耦合技術(shù)2.2超聲波探頭常用頻率范圍：2.5至5MHz常用頻率范圍：1至5MHz雙晶直探頭接觸式斜探頭探頭及耦合技術(shù)2.2超聲波探頭

水浸探頭（可用自來水作為耦合劑），可選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點(diǎn)聚焦或線聚焦。探頭及耦合技術(shù)2.3耦合劑超聲波探頭不能直接在被測(cè)物表面摩擦，必須在探頭和被測(cè)物表面之間加入耦合劑。探頭及耦合技術(shù)2.3耦合劑常用的耦合劑有自來水、機(jī)油、甘油、膠水、化學(xué)漿糊等。探頭及耦合技術(shù)2.4空氣耦合超聲探測(cè)將工件放置在兩探頭中間，探頭對(duì)稱放置在工件兩側(cè)，保證超聲波垂直入射到工件中