第9章声、波及辐射传感器;9.1超声波传感器;9.1.1.1超声波的波型及其传播速度

声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：

①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；

②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；

③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。;

在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。;9.1.1.2超声波的反射和折射

声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。;9.1.1.3超声波的衰减

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为;9.1.2超声波传感器;超声波探头结构如图所示。;9.1.3超声波传感器应用;对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为;9.1.3.2超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。

超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。;如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L,如图所示。;一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，因此超声波传播时间差为;实际中，超声波探头安装在管道的外部，从管道的外面通过管壁发射和接???超声波，不会给管道内流动的流体带来影响。;此时超声波的传输时间将由下式确定：;超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。;9.2微波传感器;9.2.1微波概述;(1)似光性和似声性

微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样直线传播，容易集中，即具有似光性。

微波的波长与无线电设备尺寸相当的特点，使微波又体现出与声波相似的特征，即具有似声性。;(2)分析方法的独特性

由于微波的频率很高，波长很短，使得在低频电路中被忽略了的一些现象和效应（例如趋肤效应、辐射效应、相位滞后现象等）在微波波段则不可忽略。

这样，低频电路中常用的集中参数元件电阻、电感、电容已不适用，电压、电流在微波波段甚至失去了惟一性意义。因此用它们已无法对微波传输系统进行完全描述，而要建立一套新的能够描述这些现象和效应的理论方法——电磁场理论的场与波传输的分析方法。;(3)共度性

电子在真空管内的渡越时间（10-9秒左右）与微波的振荡周期（10-9～10-15秒）相当的这一特性称共度性，利用该特性可以做成各种微波电真空器件，得到微波振荡源。;(4)穿透性

微波照射于介质物体时，能深入物质内部的特点称为穿透性。

例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（除光波外），因而成为人类探测外层空间的“宇宙窗口”；

微波可以穿透云雾、雨、植被、积雪和地表层，具有全天候和全天时的工作能力，成为遥感技术的重要波段；

微波能够穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，使远程导弹和航天器重返大气层，是实现通信和末端制导的重要手段。;(5)信息性

微波波段可载的信息容量是非常巨大的，即便是在很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫兹。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地工作在微波波段。

此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息，这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。;（6）非电离性

微波量子能量不够