SensorsapplicationtechnologyUltrasonicbasicconcepts超聲波基本概念1.1超聲波的定義1.2超聲波的物理量1.3超聲場(chǎng)的物理量1.4超聲波的波型課程內(nèi)容CourseContents聲波的實(shí)質(zhì)機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播。1.1超聲波的定義次聲超聲可聽聲超聲波是頻率大于兩萬赫茲的聲波。1.1超聲波的定義1.2超聲波的物理量頻率波長聲速頻率f/周期T聲源在一秒鐘內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)叫頻率，記作f，單位為Hz。振動(dòng)一次所經(jīng)歷的時(shí)間叫周期，記作T，單位為s。頻率和周期互為倒數(shù)，即T=1/f。1.2超聲波的物理量波長λ沿聲波傳播方向，振動(dòng)一個(gè)周期所傳播的距離稱作波長，記為λ，單位為m。頻率波長聲速1.2超聲波的物理量超聲波在空氣中傳播速度近似為340m/s頻率波長聲速聲速c一秒時(shí)間內(nèi)聲波傳播的距離叫聲波速度，簡稱聲速，記作c，單位為m/s頻率、波長和聲速三者的關(guān)系是：c＝fλ充滿超聲波的空間叫做超聲場(chǎng)。聲壓聲強(qiáng)聲阻抗1.3超聲場(chǎng)的物理量聲壓p

當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，使介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒有超聲場(chǎng)存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差被稱為聲壓，常用p表示，單位為帕(Pa)

。1.3超聲場(chǎng)的物理量某一點(diǎn)聲壓幅值P=ρcu其中ρ----介質(zhì)的密度;c----介質(zhì)中的聲速;u----質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度聲強(qiáng)I1.3超聲場(chǎng)的物理量在垂直于超聲波方向上的單位面積內(nèi)通過的聲能量被稱為聲強(qiáng)度，也稱聲強(qiáng)。聲強(qiáng)的單位是W/m2，瓦/平方米。I=（p^2）/(ρc)（此時(shí)p為有效值）聲阻抗Z超聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓p與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度u之比稱為聲阻抗，常用Z表示。Z=p/u=ρcu/u=ρc由上式可知，聲阻抗的大小等于介質(zhì)的密度ρ與波速c的乘積1.3超聲場(chǎng)的物理量①縱波：②橫波：③表面波：固體、液體和氣體固體固體振幅隨深度增加而迅速衰減1.4超聲波的波型①縱波：固體、液體和氣體中傳播介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向同軸的波1.4超聲波的波型②橫波：固體中傳播1.4超聲波的波型介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波1.4超聲波的波型③表面波：固體中傳播質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波和縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波電子信息工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫THANKYOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應(yīng)用技術(shù)》課程SensorsapplicationtechnologyUltrasonicbasiccharacteristics超聲波基本特性1.1超聲波的反射折射特性1.2超聲波的衰減特性1.3超聲波的生物效應(yīng)課程內(nèi)容CourseContents

當(dāng)超聲波相對(duì)于界面入射點(diǎn)法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時(shí)，在界面會(huì)產(chǎn)生反射、折射1.1超聲波的反射折射特性c1，

c2為介質(zhì)1和介質(zhì)2中波速1.1超聲波的反射折射特性入射波

′界面介質(zhì)1介質(zhì)2反射波折射波（1）反射定律（2）折射定律1.1超聲波的反射折射特性入射波

′界面介質(zhì)1介質(zhì)2反射波折射波若Z2≈Z1

聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)若Z2>>Z1

或Z1>>Z2,則聲波幾乎全反射，透射極少Z1，Z2為介質(zhì)1和介質(zhì)2中聲阻抗超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為1.2超聲波的衰減特性式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。衰減的主要原因：①擴(kuò)散衰減

②散射衰減③吸收衰減

1.2超聲波的衰減特性隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。衰減的主要原因：①擴(kuò)散衰減

②散射衰減③吸收衰減1.2超聲波的衰減特性衰減的主要原因：①擴(kuò)散衰減

②散射衰減③吸收衰減1.2超聲波的衰減特性①機(jī)械效應(yīng)

在超聲波的作用下，生物組織將受到壓力的作用，并產(chǎn)生速度和加速度方面的變化。1.3超聲波的生物效應(yīng)可軟化組織、增強(qiáng)滲透、提高代謝、促進(jìn)血液循環(huán)、刺激神經(jīng)系統(tǒng)及細(xì)胞功能②溫?zé)嵝?yīng)

超聲在生物組織中傳播過程中，部分聲能被生物組織吸收，轉(zhuǎn)換為熱能。1.3超聲波的生物效應(yīng)超聲透熱療法促進(jìn)骨折愈合③理化效應(yīng)

機(jī)械效應(yīng)和溫?zé)嵝?yīng)會(huì)促發(fā)生物組織內(nèi)的物理化學(xué)變化。1.3超聲波的生物效應(yīng)1.氫離子濃度的改變

炎癥組織中伴有酸中毒現(xiàn)象時(shí)，超聲波可使pH值向堿性方面變化，從而使癥狀減輕，有利于炎癥的修復(fù)。2.對(duì)酶活性的影響

超聲波能使復(fù)雜的蛋白質(zhì)解聚為普通的有機(jī)分子，能影響到許多酶的活性。④空化效應(yīng)

超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生聲壓。當(dāng)產(chǎn)生的負(fù)聲壓超過液體的內(nèi)聚力時(shí)，液體中出現(xiàn)細(xì)小的空腔。

1.3超聲波的生物效應(yīng)空腔分為兩種，即穩(wěn)定空腔和暫時(shí)空腔。穩(wěn)定空腔周圍產(chǎn)生局部的單向的液體流動(dòng)，可以改變細(xì)胞膜的通透性。

暫時(shí)的空腔在聲壓變化時(shí)破滅，產(chǎn)生高熱、高壓、發(fā)光、放電等現(xiàn)象，對(duì)機(jī)體有破壞作用。電子信息工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫THANKYOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應(yīng)用技術(shù)》課程SensorsapplicationtechnologyUltrasonicsensorprinciplesandcharacteristics超聲波傳感器原理與特性1.1超聲波傳感器的定義1.2超聲波傳感器的原理1.3超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)1.4超聲波傳感器的特性1.5超聲波傳感器的性能指標(biāo)課程內(nèi)容CourseContents1.1超聲波傳感器的定義

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用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。

。

利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為超聲波傳感器，也稱為超聲波探頭。1.2超聲波傳感器的原理利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成壓電式超聲波傳感器。正向壓電效應(yīng)逆向壓電效應(yīng)。

超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用：降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊,當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí),晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。1.3超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)基座雙壓電陶瓷晶片錐形振子屏蔽柵外殼發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。1.3超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)空氣中用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)(1)頻率特性發(fā)送超聲波接收超聲波1.4超聲波傳感器的特性傳感器的帶寬較窄、具有單峰特性，即在中心頻率處靈敏度最高，輸出信號(hào)幅度最大，也幾乎在這個(gè)頻點(diǎn)，接收器的接收靈敏度最高，而在中心頻率兩側(cè)則迅速衰減。

(2)指向性特性1.4超聲波傳感器的特性方向角(-6dB)：從超聲波傳感器軸線到聲壓降6dB處的角度(3)阻抗特性阻抗頻率并聯(lián)諧振串聯(lián)諧振1.4超聲波傳感器的特性超聲波傳感器具有高阻特性，驅(qū)動(dòng)電流小，要求驅(qū)動(dòng)電壓較高，是電壓驅(qū)動(dòng)型傳感器。（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它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，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）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。1.5超聲波傳感器的性能指標(biāo)超聲波傳感器-性能參數(shù)1.5超聲波傳感器的性能指標(biāo)電子信息工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫THANKYOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應(yīng)用技術(shù)》課程SensorsapplicationtechnologyThestructureandprincipleofUltrasonictransmittingcircuit超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)與原理1.1

超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)1.2

振蕩電路原理1.3

驅(qū)動(dòng)電路原理課程內(nèi)容CourseContents振蕩電路：產(chǎn)生超聲波傳感器工作需要的40KHz頻率信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)電路：增大驅(qū)動(dòng)電流，有效驅(qū)動(dòng)超聲波振子發(fā)送超聲波。

超聲波發(fā)射頭：發(fā)出40KHz超聲波

超聲波發(fā)射頭振蕩電路驅(qū)動(dòng)電路1.1

超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)振蕩電路部分驅(qū)動(dòng)電路部分Control1.1

超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)振蕩電路部分IC1輸出信號(hào)的周期為T1TH=0.7（R1+R2）C1=71msTL=0.7*R2*C1=1msT1=0.7（R1+2R2）C1=72ms9V1.2振蕩電路原理振蕩電路部分IC2輸出信號(hào)的周期為T2T2=0.7（R3+2VR1）C3調(diào)節(jié)VR1使IC2輸出信號(hào)頻率為40KHz

9V1.2振蕩電路原理1.3驅(qū)動(dòng)電路原理兩個(gè)反相器并聯(lián)，輸出電流加倍反相電壓雙端驅(qū)動(dòng)，增大驅(qū)動(dòng)電壓VH輸入信號(hào)超聲頭上的信號(hào)CABCBVH輸入信號(hào)超聲頭上的信號(hào)-VH1.3驅(qū)動(dòng)電路原理電子信息工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫THANKYOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應(yīng)用技術(shù)》課程SensorsapplicationtechnologyThestructureandprincipleofUltrasonicreceivingcircuit超聲波接收電路結(jié)構(gòu)與原理1.1

超聲波接收電路結(jié)構(gòu)1.2

放大電路原理1.3

波形變換電路原理課程內(nèi)容CourseContents

超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。由于經(jīng)接收頭變換后的交流電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。交流信號(hào)需要變換為直流信號(hào)以判斷是否有回波及回波的大小。

超聲波接收頭波形變換放大電路1.1

超聲波接收電路結(jié)構(gòu)放大電路1檢波電路放大電路2接收部分比較輸出1.1

超聲波接收電路結(jié)構(gòu)放大電路部分波形變換部分第1級(jí)放大100倍（40dB），第2級(jí)放大10倍（20dB），經(jīng)兩級(jí)放大1000倍（60dB）。

單電源（9V）供電，分壓之后，在IC4的同相端有4.5V的中點(diǎn)電壓，保證放大的交流信號(hào)不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。

1.2放大電路原理第一級(jí)放大器的幅頻特性第一級(jí)放大器的相頻特性1.2放大電路原理第一級(jí)放大器的頻率特性第二級(jí)放大器的幅頻特性第二級(jí)放大器的相頻特性1.2放大電路原理第二級(jí)放大器的頻率特性作用：檢出經(jīng)放大后的脈沖信號(hào)的直流電壓以判斷有無回波信號(hào)。

檢波電路1.3波形變換電路原理ChannelAChannelB檢波電路的輸入輸出波形1.3波形變換電路原理R12R13Control1M47K9V比較輸出電路1.3波形變換電路原理電子信息工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫THANKYOU課程組:梁長垠、宋榮、蘇全、韓君、張勝宇、賈方亮、梁召峰、晏凱《傳感器應(yīng)用技術(shù)》課程SensorsapplicationtechnologyUltrasonicsensorapplications超聲波傳感器的應(yīng)用分析1.1超聲波傳感器測(cè)液位原理1.2超聲波傳感器測(cè)流量原理1.3超聲波傳感器測(cè)量系統(tǒng)分析課程內(nèi)容CourseContents1.1超聲波傳感器測(cè)液位原理超聲波發(fā)射到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為t

式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。測(cè)液位原理Hh

如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L,如圖所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，則測(cè)流量原理1.2超聲波傳感器測(cè)流量原理因此超聲波傳播時(shí)間差為

一般來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，即c>>v,從上式便可得到流體的流速，即1.3超聲波傳感器測(cè)流量原理測(cè)流量原理超聲波傳感器測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射電路接收電路電源電路控制電路發(fā)