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声学量传感器 制作 AI-303 声学量传感器 内容： 声学量传感器的综述 声学量的基本概念与主要技术指标 声学量传感器原理说明 声学量传感器的应用 声学量传感器的产品与价格 声学量传感器的发展动向 声学量传感器的综述 声传感器是把外界声场中的声信号转换成 电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、 环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检 测、水下探测和生物医学工程及医学方面 有广泛的应用。它的种类很多，按其特点 和频率等，将它划分为超声波传感器、声 压传感器和声表面波传感器。 声学量的基本概念与主要技术指标 声波：弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、 质点速度等的变化或几种变化的综合。 声场：媒质中有声波存在的区域。 声压：有声波时，媒质中的压力与静压的差值。 单位为Pa。声压值是时间的函数。一般使用时， 声压是有效声压的简称。声压在声场中具有空间 分布。 峰值声压：瞬时声压在规定的时间内最大绝对值 有效声压：媒点上瞬时声压在一个周期内的均方 根值。 声压级：声压与基准声压之比的以10为底的对数 乘以20，单位为分贝（dB）。常用基准声压为 20uPa（空气中）;1uPa（水中）。 声级：用一定的仪表特性和A，B，C计权特性测 得的计权声压级。所用的仪表特性和计权特性都 必须说明，否则指A声级。常用基准声压为 20uPa。A，B，C计权特性分别是40，70，100 方等响线的反曲线，计权特性用声级的字母表示。 如A声级65dB。飞机噪声也可用D计权，其特性 是40等噪线的反曲线。 声强：在某点上，一个与指定方向垂直的单位面 积上在单位时间内通过的平均声能。单位为 W/m2。应当注意的是，声场在指定方向n的声 强等于垂直于该方向的单位面积上的平均声能通 量。声波为纵波时，声强可用下式表示： 式中 p——瞬时声压，Pa。 式中 un——瞬时质点速度在方向n的分量， m/s。 式中 T——周期的整数倍，或长得不影响 计算结果的时间，单位为s。 在自由场平面或球表面波的情况，在传播 方向的声强是 式中 p——有效声压，Pa。 式中 ρo——质点密度，kg.m3。 式中 c——声速，m/s。 声功率：声源在单位时间内发射出的总能量。单位负责人 W。 声吸收：指声波通过媒质或遇到表面时，部分声能转换成 其它形式的能（通常是热能）而使声能降低的过程。 自由声场：均匀的各向同性的非流动媒质中，边界影响可 以不计的声场。 噪声：紊乱继续或统计上随机的声振荡或指不需要的声音， 可引伸为在一定频段中任何不需要的干扰，如电波干扰。 噪声剂量：工作日，工作周或其它一定时间内，一切有关 噪声的部分暴露指数的和。某一种噪声持续时间除以在一 定时间（工作日、工作周）内该噪声级下允许的连续工作 时间，称为该噪声的部分噪声暴露指数。总噪声指数代表 人耳接收的噪声剂量。用积分表示为： 式中 D——总噪声暴露指数。 式中 T——计算时间，单位为s。 式中 PPA——瞬间A声级，dB。 混响时间：声音已达到稳态后停止声源， 平均声能密度自原始衰变到其百万分之一 （60dB）所需要的时间。 声压频率响应：声压测量传感器的输出对 声压的比率作为频率的函数。该声压在传 感器敏感元件的整个表面上无论相位或振 幅对相等。 自由场频率响应：声场中声压测量传感器的输出与自由场 声压之比作为频率的函数。该自由场声压是指无传感器存 在时在传感器声中心位置的声压。 指向性：发射（或接收）某一频率的声波的声源（或声接 收器）在其远场中的发射声压（或接收灵敏度）的方向特 性。常用指向性图表示。指向性是声源在远场形成波束的 方向特性，也是声接收器对入射声波的方向选择特性。 指向性图案：换能器在固定频率工作时，通过声中心的指 定平面内其响应作为发射或入射声波方向函数，称为指向 性函数。用图线表示的指向性函数，称为指向性图案。指 向性图案是声源的远场声束图案的数学描述，是球坐标中 方位角和俯仰角的函数。在不同频率下工作，同一换能器 的指向性将随频率的提高而趋于明显。 漫射声：在给定区域内声能密度均匀的声，在区域内的任 一点上所有方向的声能通量是等概率的。 随机入射响应：声压测量传感器漫射场的频率。射向传感 器规定表面的声音是来自随机方向的。 声学量传感器的原理说明 超声波传感器（ultrasonic sensor） 声压传感器（voltage sensor） 声表面波传感器（acoustic surface wave sensor） 超声波传感器（ultrasonic sensor） 1)声波及其分类 (1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。 (2)声波:振动频率在16Hz―20KHz之间的 机械波。 (3)超声波:高于20KHz的机械波。 2）超声波的物理性质 超声波与声波比，振动频率高，波长短， 具有束射特性，方向性强，可以定向传播， 其能量远远大于振幅相同的声波，并具有 很高的穿透能力。 3）超声波传感器原理 超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时 电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大 致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向 发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波 后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始 检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波 遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收 到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电 路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回 声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换 算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换 算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波 在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作 过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 注： 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁 场中，产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时， 使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电 势输出。 声压传感器（voltage sensor） 能感受声压并转换成可用输出信号的传感器 称为声压传感器。它有以下的几种实现形 式： 电阻变换式 压电式 电容式 1).电阻变换式 这类传感器可分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。 炭粒式送话器就属于接触阻抗型传感器的一种， 图13.15是它的工作原理图。送话器的基本工作 原理是：当声波经空气传播至膜片时，膜片产生 振动，在膜片和电极之间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，信号经放大后输出。阻抗变换型传 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。 2).压电式 这类传感器是利用压电晶体的压电效应制 成的。图13.16是压电传声器的结构图。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，膜片带动压动 晶体产生振动，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。 3).电容式 图13.19是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R和直流电流极化电压E，在电容量随声波的振 动变化时，在R的两端就会产生交变电压。电容 式的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。 声表面波传感器（acoustic surface wave sensor） 能感测声表面波信号并转换成可用输出信号的传感器称为声表面波传 感器。声表面波SAW （Surface Acoustic Wave）是英国物理学家 瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中 于地表面传播的声波。1965年，美国的怀特和沃尔特默在应用物理 杂志上发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得 了声表面波技术的关键性突破，能在压电材料表面激励声表面波的金 属叉指换能器IDT（Inter－digital Transducer）的发明，大大加速 了声表面波技术的发展，相继出现了许多各具特色的声表面波器件， 使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的 边缘学科。 声表面波传感器标签的识别原理：声表面波传感器的基本组成如图１ 所示。其天线接收到高频（915MHZ中心频率）激励后经过叉指换能 器IDT（inter-digital transducer）将电磁波转化成声表面波，然后 经过一系列反射器（可编程，包含了识别码）反射回来，再经叉指换 能器转化成电磁波经天线发射出去，完成反射过程。 声学量传感器的应用 超声波传感器的应用 声压传感器的应用 声表面波传感器 超声波传感器的应用 利用超声波探伤、 测距、测物 利用装有超声波传感器的检测检测机器人对 输油管进行检测 采用超声波传感器的倒车雷达 利用超声波传感器制成的鱼群探测器 声压传感器的应用 声压传感器在汽车防盗及航空探测方面等都 有应用。确定密闭集装箱内的材料化学成 分，加强港口的安全。 声表面波传感器 SAW最早的应用是在广播、电视领域作频 率稳定的滤波器之用。现在声表面波技术 的应用已涉及到许多学科领域，如地震学、 天文学、雷达通信及广播电视中的信号处 理、航空航天、石油勘探和无损检测等。 传感器的发展前景 传感器和仪表元器件是仪器仪表与自动化系 统最基础元器件之一。传感器和仪表元器 件具有服务面广、品种繁多、需求量大等 特点,其技术水平和产品质量的提高,将为我 国制造业信息化奠定基础。 现状与问题 我国传感器和仪器仪表的技术和产品,经过发展, 有了较大的提高。全国已经有1600多家企事业单 位从事传感器和仪表元器件的研制、开发、生产。 但与国外相比,我国传感器和仪表元器件的产品品 种和质量水平,尚不能满足国内市场的需求,总体 水平还处于国外上世纪90年代初期的水平。存在 的主要问题有： （1）科技创新差,核心制造技术严重滞后于国外, 拥有自主知识产权的产品少,品种不全,产品技术 水平与国外相差15年左右。 （2）投资强度偏低,科研设备和生产工艺装备落 后,成果水平低,产品质量差。 （3）科技与生产脱节,影响科研成果的转化,综合 实力较低,产业发展后劲不足。 战略目标 到2020年,传感器及仪表元件领域应争取实现三 大战略目标： ——以工业控制、汽车、通讯、环保为重点服务 领域,以传感器、弹性元件、光学元件、专用电路 为重点对象,发展具有自主知识产权的原创性技术 和产品; ——以MEMS工艺为基础,以集成化、智能化和网 络化技术为依托,加强制造工艺和新型传感器和仪 表元器件的开发,使主导产品达到和接近国外同类 产品的先进水平; ——以增加品种、提高质量和经济效益为主要目 标,加速产业化,使国产传感器和仪表元器件的品 种占有率达到70%~80%,高档产品达60%以上。 发展重点 传感器技术 仪表元器件 传感器技术 MEMS工艺和新一代固态传感器微结构制造工艺：深反应 离子刻蚀（DRIE）工艺或IGP工艺;封装工艺：如常温键 合倒装焊接、无应力微薄结构封装、多芯片组装工艺;新 型传感器：如用微硅电容传感器、微硅质量流量传感器、 航空航天用动态传感器、微传感器,汽车专用压力、加速 度传感器,环保用微化学传感器等。 集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺;工业 控制用多变量复合传感器,如：压力、静压、温度三变量 传感器,气压、风力、温度、湿度四变量传感器,微硅复合 应变压力传感器,陈列传感器。 智能化技术与智能传感器信号有线或无线探测、变换处理、 逻辑判断、功能计算、双向通讯、自诊断等智能化技术; 智能多变量传感器,智能电量传感器和各种智能传感器、 变送器。 网络化技术和网络化传感器,使传感器具有工业化标准接 口和协议功能。 仪表元器件 弹性元件开发和完善新型成型工艺：电沉积成型工艺,焊 接成型工艺;重点开发航空、航天用的低刚度、大位移、 长寿命的微小型精密波纹管,高温高压阀用波纹管;研制波 纹管高效成型工艺设备和性能检测仪器。 光学元件开发先进工艺：非球面光学元件设计、制造技术、 光学多层测射镀膜技术和新型离子辅助镀膜技术。 开发光纤通讯和数字成像用新型光学元件,如：微型变密 度滤光片、超窄带滤光片,微透镜阵列、大面积偏振元件、 非球面玻-塑混合透镜。 专用电路提高专用电路集成度和个性化服务的设计技术和 制造工艺; 应用软件固化技术,开发适合智能化、网络化传感器和仪 表的信号变换、补偿、线性化、通讯、网络接口等专用电 路。 产品 BANNER公司产品 BANNER公司产品 U-GAGE 超声波传感器 - 可用于位置检 测应用的高级传感器. 开关量输出可以理想 地完成开关检测或高低料位控制 .模拟量输 出可以根据用户设定精确地完成一个线性 输出. 有的产品集两者于一体. Q45UR 可 以远距离完成设定 T18U 系列 对射式超声波传感器,可 靠地用于透明物体检测 S18U 系列 紧凑的超声波传感器,带 18mm安装螺纹和手推式 设定按键 ULTRA-BEAM 系列 静电式变送器,检测范围 可达6m Sonic OMNI-BEAM 系列 压电式变送器,带有高级 诊断功能 既有模拟量输出,又有开关 量输出的传感器 Q45U 系列 微处理器控制的按键设定方 式,可选择多种检测范围和 输出模式 Q45UR 系列 可通过外部开关,计算机或 控制器进行远程设置,同按 键设定具有相同的功能 QT50U 系列 检测范围可达8m的超声波 传感器