超声波传感器工作原理与物理性质

超声波传感器工作原理与物理性质

该文档是《辐射与波式传感器》教材中关于超声波传感器的第一部分，系统介绍了超声波的基本物理性质（波型、传播速度、反射折射、衰减规律）以及超声波传感器的工作原理，重点阐述了压电式超声波传感器的结构和工作机制。

核心内容

超声波物理性质

• 超声波概念：频率高于20kHz的机械波，具有频率高、波长短、方向性好、穿透力强等特点
• 波型分类：纵波（固液气中传播）、横波（仅固体中传播）、表面波（沿固体表面传播）
• 传播速度：空气中344m/s（室温），液体中900~1900m/s，受温度影响显著
• 反射与折射：遵循反射定律和折射定律（sinα/sinβ = c₁/c₂）
• 衰减规律：声压和声强随距离呈指数衰减（P_x = P₀e^{-αx}），衰减由扩散、散射和吸收引起

超声波传感器工作原理

• 压电式超声波传感器：利用压电材料的正/逆压电效应工作
• 发生器（发射探头）：逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动
• 接收器（接收探头）：正压电效应，将超声波振动转换为电信号
• 传感器结构：压电晶片（核心元件，厚度与频率成反比）、阻尼块（降低机械品质，提高分辨率）、保护膜、圆锥谐振器等

关键公式

• 波长-频率-速度关系：λ = c/f
• 折射定律：sinα/sinβ = c₁/c₂
• 声压衰减：P_x = P₀e^{-αx}
• 声强衰减：I_x = I₀e^{-2αx}

应用领域

冶金、船舶、机械等工业超声探测，包括料位监测、液位监控、车辆计数、防撞检测、流量检测、医疗超声检测、倒车雷达等