項目七其他類型的傳感器知識目標

了解壓電加速度傳感器、壓電壓力傳感器的組成與工作原理；掌握壓電傳感器的的工作原理，了解壓電元件的材料性能，及溫度誤差補償方法；了解霍爾傳感器的工作原理、結構特點及主要參數指標。技能目標

掌握壓電加速度傳感器的結構、測速方法；掌握壓電壓力傳感器的結構、測壓方法；掌握霍爾開關集成傳感器的結構、外電路組成、工作原理；掌握霍爾線性集成傳感器的結構、結構、外電路組成、工作原理。任務一霍爾傳感器

知識準備1．霍爾傳感器的工作原理

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁電轉換器件。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。

圖7-1霍爾效應原理圖霍耳效應：在置于磁場中的導體或半導體內通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差。如圖7-1所示，長、寛、高分別為、、的N型半導體薄片的相對兩側、、通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場。在圖示方向磁場的作用下，電子將受到一個由側指向側方

向力的作用，這個力就是洛侖茲力，大小為：

、兩端面因電荷積累而建立了一個電場，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續積累。當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態平衡，這時有：霍爾電場的強度為：在與兩側面之間建立的電勢差稱為霍爾電壓，其大小為：設：則：可以看出：（1）霍耳電壓大小與材料的性質有關；（2）霍耳電壓與元件的尺寸有關；（3）霍耳電壓大小與控制電流及磁場強度有關。2．霍爾傳感器的結構特點霍爾元件一般采用N型鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成，其中砷化銦為霍爾元件的常用材料?；魻栐苫魻柶?、引線和殼體組成。

材料及結構特點：N型鍺、砷化銦、銻化銦輸出小溫度和線形度較好線形度好受溫度影響比銻化銦小輸出沒有銻化銦大輸出大受溫度影響大

霍元件是一塊矩形半導體薄片，在長邊的兩端面上焊上兩根控制電流端引線，在元件短邊中間以點的形式焊上兩根霍爾輸出端引線，一般用非磁性金屬陶瓷或環養樹脂封裝。

圖7-2霍爾元件圖形符號和外形3．霍爾元件的主要技術參數1）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻為電流激勵端的直流電阻，數十至數百歐姆，由霍爾元件的材料而定，其值隨溫度升高而減小，使輸入電流增大，從而影響霍爾電動勢，故霍爾元件最好采用恒流激勵；輸出電阻為輸出端的等效直流電阻，大小與輸入電阻同數量級，也隨溫度變化，為減小溫度對實際

輸出的霍爾電動勢的影響，應有適當的負載電阻。2）額定控制電流霍爾元件在空氣中產生的溫升為10℃的激勵電流，激勵電流越大，霍爾電動勢越高，最大激勵電流受元件溫升允許值限制。3）不等位電勢，即未加磁場時的輸出電壓，一般小于。

霍爾元件制作時由于四個電極板的幾何尺寸不可能完全對稱，元件材料電阻率不均勻，基片寬度厚度不一致等造成在端輸入額定激勵電流時，即使未加磁場，其輸出端也有不等于零的電動勢，該電動勢稱為不等位電動勢。4）最大磁感應強度額定激勵電流下，磁感應強度越大，霍爾電動勢越大，但其非線性也越大，非線性誤差在允許范

圍內的最大值。

5）霍耳電壓的溫度特性在一定磁場強度和激勵電流下，溫度每變化1℃時霍爾電動勢相對變化的百分數。4．霍爾零件的誤差分析霍爾傳感器的輸入——輸出簡單，且線性好，但是影響神經質性能的因素及造成誤差的原因很多，主要有下幾個方面：1）不等位電勢及其補償霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢、寄生直流電勢、和感應零電勢，其中不等位電勢是最主要的零位誤差。要降低除了在工藝上采取措施以外，還需采用補償電路加以補償。

（a）

（c）

（b）

（d）（e）（f）圖7-3不等位電動勢的幾種補償電路2）溫度誤差及其補償采用恒流源提供恒定的控制電流可以減小溫度誤差，但元件的靈敏度也是溫度的系數，對于具有正溫度系數的霍爾元件，可在元件控制極并聯分流電阻來提高的溫度穩定性，如圖7-4所示：圖7-4溫度補償電路3）寄生直流電動勢由于霍爾元件的電極可能做到完全歐姆接觸，在控制電流極霍爾電動勢極上都可能出現整流效應。因此，當元件通以交流控制電流時，它的輸出除了交流不等位電動勢外，還有一直流電動勢分量，這電動勢就稱為寄生直流電動勢。寄生直流電動勢與工作電流有關，隨工作電流減小而減小。

另外，直流電動勢的原因是霍爾電動勢極的焊點不一致，因而熱容量不致產生了溫差。因此，一般在元件制作和安裝時，應盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的的散熱條件。4）感應電動勢霍爾元件在交變磁場中工作時，即使不加控制電流，由于霍爾電動勢極引線布置不合理，在輸出回路中也會產生附加感應電動勢，其大小正

比于磁場變化莫測的頻率和磁感應強度的幅值，并與霍爾電動勢極引線構成的感應面積成正比。如圖7-5所示。（a）感應電動勢示意圖（b）自身補償法圖7-5感應電動勢及其補償任務實施1．電梯智能稱重變送裝置

電梯智能稱重變送裝置，以霍爾線性集成傳感器為信息采集端，進行實時監控電梯的負載?；魻柧€性集成傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，其輸出電壓與外加磁場強度呈線性比例關系。當外加磁場時，霍耳元件產生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓，經放大器放大后輸出。霍耳線性集成傳感器有單端輸出型和雙端輸出型兩種，典型產品分別為SL3501T和SL3501M兩種。

霍爾線性集成傳感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量和控制。

（a）單端輸出型傳感器的電路結構

（b）雙端輸出型傳感器的電路結構

圖7-7稱重變送裝置安裝在轎箱底部的示意圖

實驗表明：霍爾傳感器與永久磁體間的距離對傳感器的靈敏度、線性度與量程都有很大影響，若霍爾傳感器與永久磁體距離很近，則該處的磁場強度很大，傳感器容易飽和，線性度差，量程小；若霍爾傳感器與永久磁體距離太遠，則磁場很弱，霍爾傳感器感應不到磁場，靈敏度降低，因此稱重變送裝置安裝時必須確定永久磁體與稱重變送裝置間的最佳距離。

在實際應用中，電梯空載時保持稱重變送裝置與磁體間距在19mm～22mm左右最為理想。為了使安裝滿足上述要求，利用CPU控制雙色發光二極管作為提示燈，當稱重變送裝置與永久磁體間的距離到達最佳距離的誤差范圍(±0.1mm)內時，提示燈交替閃爍，此時固定稱重變送裝置，完成安裝。2．霍爾轉速傳感器電控柴油機中，轉速不僅僅是發動機的一個簡單的工作參數，而且是電子控制系統其它參數計算的依據和控制噴射正確時的基準，轉速信號是通過轉速傳感器測量而得的，如果傳感器不能穩定地工作，電控系統也就無法正確地控制發動機正常工作。所以，傳感器的性能直接關系到電控系統的性能。

霍爾轉速傳感器是集成開關元件，能感知一切與磁信息有關的物理量，并以開關信號形式輸出。具有無觸點、長壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強、構造簡單、堅固、體積小、耐沖擊等優點。但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對信號進行濾波和整形，提高采集準確度和抗干擾能力。

圖7-8霍爾開關集成傳感器內部框圖

霍耳開關集成傳感器常用于：點火系統、保安系統、轉速測量、里程測量、機械設備限位開關、按鈕開關、電流的測量和控制、位置及角度的檢測，等等。速檢測裝置中的霍爾轉速傳感器為控制單元運算和控制提供轉速和上止點基準信號。發動機的轉速傳感器信號盤安裝在曲軸上，工作時傳感器輸出信號經整形后可得到相應的方波脈沖信號。利用M68HC11單片機的輸入捕捉功能，

可得到相鄰的兩個上升沿的時間差，即可算出當前轉速n。圖7-9霍爾傳感器檢測裝置霍爾電流傳感器霍爾計數裝置無接觸式仿型加工任務二壓電傳感器

壓電傳感器由壓電傳感元件和測量電路組成，是一種典型的自發電式傳感器。壓電傳感器以壓電效應為基礎，通過測量轉換電路，實現測量非電量的目的。壓電傳感器的敏感元件屬于力敏元件，可以測量應力、壓力、振動、加速度等物理量。根據壓電效應的可逆性，也可做超聲波的發射與接收裝置。知識準備1．壓電效應

某些晶體，受一定方向外力作用而發生機械變形時，相應地在一定的晶體表面產生符號相反的電荷，外力去掉后，電荷消失；力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變。這種現象稱為壓電效應或正壓電效應。當晶體帶電或處于電場中時，晶體的體積將產生伸長或縮短的變化。這種現象稱為電致伸縮效應或逆壓電效應。

當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。

以壓電效應為基礎制作的傳感器，又稱為發電式傳感器、雙向傳感器、有源傳感器。2．典型的壓電材料1）石英晶體天然結構的石英晶體為單晶體結構，有天然和人工培養兩種。石英晶體具有穩定性好、自振頻率高、動態響應好、線性范圍寬、機械強度高等優點；但其靈敏度低、介電常數小。因此，標準傳感器和或使用溫度高的傳感器。

石英晶體為正六棱柱狀，在晶體力學中可用三根相互垂直的軸表示方向。其中縱軸稱為光軸，記作z軸；經過棱線并垂直于光軸的軸稱為電軸，記作x軸；與光軸和電軸同時垂直的軸稱為機械軸，記作y軸。如圖7-10所示，為其外形及切片圖。

（a）石英晶體外形（b）坐標系（c）切片圖7-10石英晶體

石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩定的振蕩輸出頻率。晶振縱向壓電效應：沿電軸x軸方向的力作用下產生電荷的壓電效應；橫向壓力效應：沿機械軸y軸方向的力作用下產生的壓電效用；沿光軸z軸方向的力作用時不產生壓電效應。當晶片在沿x軸的方向上受到壓縮應作用時，晶片將產生厚度變形，并發生極化現象。在晶體的線性彈性范圍內，電荷出現在與x軸垂直

的平面上，其電荷量大小為：

如果沿y軸方向作用力時，電荷仍出現在與x軸垂直的平面上，其電荷量為：（a）軸向受壓力（b）軸向受拉力（c）軸向受壓力（d）軸向受拉力圖7-11電荷極性與受力方向的關系2）壓電陶瓷（a）未極化（b）已極化圖7-12壓電陶瓷

極化處理后陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發生移動，電疇發生偏轉，從而引起剩余極化強度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變為電效應，將機械能轉變為電能的現象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成如下的正比關系：

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點在300℃以上，性能穩定，有較高的介電常數和壓電系數。壓電陶瓷外形

無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

3）壓電高分子材料高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶聚合物，其壓電效應較復雜，不僅要考慮晶格中均勻的內應變對壓電效應的貢獻，還要考慮高分子材料中作非均勻內應變所產生的各種高次效應以及同整個體系平均變形無關的電荷位移而表現出來的壓電特性。

目前已發現的壓電系數最高、且已進行應用開發的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF）。另外高分子壓電材料還有聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。高分子材料具有柔軟性、防水性、測量動態范圍寬、頻響范圍大、不易破碎等優點；但機械強度不高、易老化；因此常用于測量精度不高的場合，如水聲測量、防盜、振動測量等方面。高分子壓電薄膜及拉制

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報警器

高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應）壓電元件有串聯和并聯兩種結構形式，串聯可提高輸出電壓，并聯可提高輸出電荷。3．壓電元件的結構形式

單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。

（a）同極性粘接（b）不同極性粘接圖7-13壓電元件的連接方式4．壓電傳感器的等效電路由壓電傳感器的壓電效應可知，壓電元件相當于一個電荷發生器；同時，它又相當于一個以壓電材料為絕緣介質的電容器，其電容值為：因此壓電元件可等效為一個與電容并聯的電荷源，如圖（a）電荷源（b）電壓源圖7-14壓電傳感器的等效電路

如果壓電元件與測量電路相連接，就得考慮連接電纜的分布電容、放大器的輸入電阻、輸入電容及壓電元件的泄漏電阻

，則其等效電路為：（a）電荷源（b）電壓源圖7-15與測量電路相連時壓電傳感器的等效電路任務實施

由于壓電傳感器是自發電式傳感器，壓電元件受外力作用產生的電荷只有在交變力的作用下才能使壓電元件上的電荷不斷得到補充，因此壓電傳感器不適合靜態力的測量，只能用于脈沖力、沖擊力、振動加速度等動態力的測量。壓電材料不同，則特性不同，因此用途也不同。壓電晶體主要用于實驗室基準傳感器；壓電陶瓷價格便宜、靈敏度高，機械強度好，常用于測量力和振動；高分子壓電傳感器多用于定性測量。

1．壓電加速度傳感器

壓電加速度傳感器是一種常用的加速度計。因其固有頻率高、高頻響應好，如配以電荷放大器，低頻特性也很好。壓電加速度傳感器具有體積小、重量輕的優點；但要經常校正靈敏度。圖7-16壓電式加速度傳感器結構2．壓電壓力傳感器壓電壓力傳感器主要用于發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量，可用來測量各種力。圖7-17壓電壓力傳感器3．壓電式報警系統

報警系統是目前各建筑、區域不可或缺的組成部分。壓電式報警系統利用高分子材料的柔軟性、防水性、測量動態范圍寬、頻響范圍大、不易破碎等特性而制成的。如圖7-18所示，在警戒地區的周圍敷設多根高分子壓電電纜，當入侵者踩到電纜上的柔性地面時，該壓電電纜受到擠壓，產生壓電脈沖而報警。由于壓電電纜埋設在地下，因而較隱蔽，不易受光、電、霧、雨水等侵蝕。（a）原理框圖b）高分子壓電電纜結構圖圖7-18高分子壓電電纜周界報警系統項目小結

霍爾傳感器一般用以測量磁通、電流、位移、壓力、流量等物理量。它對磁場敏感，結構簡單，體積小，輸出電動勢變化范圍大，無活動部件，使用壽命長，在測試、自動化、信息處理等方面應用廣泛。霍爾元件一般采用N型鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶體材料制成，目前多采用砷化銦為霍爾元件。霍爾元件輸入、輸出關系簡單，且線性好，影響其性能的因素主要有不等位電勢、寄生直流電勢、感應電動勢、溫度等，采用一定的補償方法可起到補償作用。壓電式傳感器一般用以測量動態力、加速度等物理量，是一種典型的電能量傳感器。它以壓電效應為基礎，實現力—電荷的轉換。壓電傳感器具有體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠等優點，并且具有較強的抗干擾能力，是一種應用廣泛的力傳感器。目前有石英晶體、壓電陶瓷、高分子材料等

幾種類型。壓電傳感器有并聯和串聯兩連接方式，其空載時的等效電路可等效為電荷源和電壓源。知識拓展1．生物傳感器

使用固定化的生物分子結合換能器，用來偵測生物體內或生物體外的環境化學物質或與之起特異性交互作用后產生響應的一種裝置。1）生物傳感器的特點：（1）測定范圍廣泛。（2）生物傳感器使用時一般不需要樣品的預處理，樣品中的被測組分的分離和檢測同時完成，且測定時完成，且測定時一般不需加入其它試劑。

轉換器敏感元件待測物生物傳感器的模型（3）采用固定化生物活性物質作敏感基元（催化劑），價值昂貴的試劑可以重復多次使用。（4）測定過程簡單迅速。（5）準確度和靈敏度高。一般相對誤差不超過1％。（6）由于它的體積小，可以實現連續在線監測，容易實現自動分析。（7）專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。（8）可進入生物體內。（9）傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀器，便于推廣普及。2）生物傳感器在檢測分析儀器中的應用：（1）測定水質的BOD分析儀、在市場上有以日本和德國為代表產品供應；（2）采用絲網印刷和微電子技術的手掌型血糖分析器，已形成規?；a，年銷售量約十億美元

（3）固定化酶傳感分析儀，國外以美國的YSI公司和德國BST公司為代表，都有系列分析儀產品，它們主要用于環境監測和食品分析，國內到目前為主只有山東省科學院生物研究所的系列化產品在市場得到應用；（4）SPR生物傳感器，在日、美、德、瑞典等國得到了開發和初步應用。3）生物傳感器的原理圖7-19生物傳感器的原理圖4）生物傳感器的分類根據分類方式的不同，生物傳感器可分為以下幾類：（1）根據傳感器輸出信號分：生物親和性傳感器、代謝型或催化型傳感器；（2）根據分子識別元件上的敏感物質分：酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器、DNA生物傳感器；（3）根據信號換能器分：電化學傳感器、離子敏場效應傳感器、熱敏電阻傳感器、壓電晶體傳感器、光電傳感器、聲學傳感器5）生物傳感器的應用領域生物傳感器作為一種分析檢測技術，在醫藥、軍事、環境、食品等領域得到了高度重視和廣泛應用。生物傳感器正進入全面深入研究開發時期，各種微型化、集成化、智能化、實用化的

生物傳感器與系統越來越多。

其主要應用在以下幾個方面：（1）食品工業

生物傳感器在食品分析中的應用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。食品成分分析；食品添加劑的分析

（2）環境監測

近年來，環境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續、快速、在線監測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。目前，已有相當部分的生物傳感器應用于環境監測中。

（3）發酵工業

在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設備簡單、不受發酵液混濁程度的限制、能消除發酵過程中干擾物質的干擾等特點。因此，在發酵工業中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。

（4）醫學領域

醫學領域的生物傳感器發揮著越來越大的作用。生物傳感技術不僅為基礎醫學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫學方面，也具有廣闊的應用前景。

在臨床醫學中，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫學中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素。生物傳感器應用舉例快速葡萄糖(glucose)分析儀德國研發的環境廢水BOD分析儀生物傳感在線分析系統，為發酵自動控制提供了新的基礎平臺發酵罐主機計算機一種血糖乳酸自動分析儀2．智能式傳感器

所謂智能式傳感器，就是一種以微處理器為核心單元，兼有檢測、判斷和信息處理等功能的傳感器。智能傳感器的最大特點就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機地融合在一起?！拔⑻幚砥鳌卑瑑煞N情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個芯片上構成所謂的“單片智能傳感器”；一種是指傳感器能夠配微處理器。1）智能式傳感器的分類初級形式：中級形式：高級形式：2）智能式傳感器的結構智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力。它由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。圖7-20智能傳感器的組成3）智能傳感器的主要功能：（1）具有邏輯判斷、決策和統計處理功能?？蓪z測數據進行分析、統計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，可大大提高測量準確度。

（2）具有自診斷、自校正功能。智能式傳感器可實現開機自檢（在接通電源時進行）和運行自檢（在工作中實時進行），以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。（3）具有自適應、自調整功能。內含的特定算法可根據待測物理量的數值大小及變化情況等自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。

（4）具有組態功能。可實現多傳感器、多參數的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。（5）具有記憶、存儲功能?？蛇M行檢測數據的隨時存取，方便使用和進一步數據處理，加快了信息的處理速度。（6）具有數據通訊功能。智能化傳感器具有數據通訊接口，具有雙向通訊、標準化數字輸出或符號輸出特性，能與計算機直接聯接，相互交換信息，

提高了信息處理的質量。4）智能傳感器的特點：與傳統傳感器相比，智能傳感器的特點是：（1）精度高；（2）高可靠性與高穩定性；（3）高信噪比與高的分辨力；（4）強的自適應性；（5）低的價格性能比。

5）智能傳感器的應用（1）智能壓力傳感器圖7-21智能壓力傳感器的結構框圖智能壓力傳感器的特點：（1）具有優異的重復性和穩定性；（2）可做標準的模擬壓力傳感器使用；（3）用戶可組態的模擬傳感器；（4）壓力單位可選擇；（5）采樣速率可調；（6）跟蹤輸入變化；（7）外部控制模擬輸出。超聲波傳感器的工作原理1、超聲波及其物理性質波動（簡稱波）：振動在彈性介質內的傳播聲波：其頻率在Hz之間，能為人耳所聞的機械波次聲波：低于16Hz的機械波超聲波：高于Hz的機械波微波：頻率在Hz之間的波聲波的頻率界限圖1）超聲波的波型及其傳播速度

聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；②橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播；③表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面傳播，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面傳播。

在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通常可認為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。2）超聲波的反射和折射3）超聲波的衰減聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規律為：式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數，單位為Np/cm（奈培/厘米）。

聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。

散射衰減是指超聲波在介質中傳播時，固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波產生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數量、介質的性質和散射粒子的性質有關。

吸收衰減是由于介質粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成質點間的內摩擦，從而使一部分聲能轉換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。

2、超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。

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，這種傳感器統稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭；而正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。壓電式超聲波傳感器結構如上圖：

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，作導電的極板。

阻尼塊的作用：降低晶片的機械品質，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時，晶片將會繼續振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應原理來工作的。

磁致伸縮式超聲波發生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場（即導磁特性）發生改變。根據電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。

超聲波傳感器應用1、超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。

如果從發射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。根據發射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。超聲波傳感器的應用幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；

(b)超聲波在空氣中傳播

超聲波發射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳播，如圖（a）所示。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使發射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖（b）所示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。

對于單換能器來說，超聲波從發射器到液面又從液面反射到換能器的時間為：則式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質中傳播的速度。

對于雙換能器，超聲波從發射到接收的路程為2s，而因此液位高度為式中：s——超聲波從反射點到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。

從以上公式中可以看出，只要測得超聲波脈沖從發射到接收的時間間隔，便可以求得待測的物位。超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發生波動，便會產生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為±0.1%，檢測物位的范圍為。超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法等。但目前應用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。

超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據管道流體的截面積，計算流量超聲波測流量原理圖

如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如上圖所示。如設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時間差為由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即超聲波傳感器安裝位置

超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測的流體種類很多，不論是非導電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲