二、超声波的传播速度纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在900～1900m/s。对于固体，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90％。4.3超声传感器与物位、厚度检测第30页，共62页，星期日，2025年，2月5日三、反射与折射超声波的反射与折射当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时，一部分声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播，这种现象称之为声波的反射和折射。如左图所示。反射角、折射角与两个介质中的速度满足折射定律：4.3超声传感器与物位、厚度检测第31页，共62页，星期日，2025年，2月5日四、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。在不同介质中衰减的幅度关系如下：固体液体气体声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大。4.3超声传感器与物位、厚度检测第32页，共62页，星期日，2025年，2月5日4.3.2超声波传感器将（交流）电信号转换成机械振荡而产生超声波向介质中发射，或将超声场中的机械振荡转换成相应的电信号的装置。也称超声波换能器。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。分压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用的是压电式探头。4.3超声传感器与物位、厚度检测压电片的厚度与超声波频率成反比压电片的直径与扩散角成正比第33页，共62页，星期日，2025年，2月5日压电式换能器的原理是以压电效应为基础的，在实际应用中，由于压电效应的可逆性，换能器可“发射”与“接收”兼用。发射：脉冲交流电压加到压电元件上，使其向介质发射超声波。接收：接收从介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号送到后面的放大器。因此，压电式超声传感器实质上是压电式传感器。4.3超声传感器与物位、厚度检测第34页，共62页，星期日，2025年，2月5日4.3.3超声波测物位 超声波液位计按传声介质不同，可分为声阻式、液介式、气介式。 按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器。4.3超声传感器与物位、厚度检测第35页，共62页，星期日，2025年，2月5日1.定点式超声波物位计 (1)声阻式液位计(2)液介穿透式超声液位计(3)气介式穿透式超声物位计4.3超声传感器与物位、厚度检测第36页，共62页，星期日，2025年，2月5日2.连续式超声物位计(d)(c)(b)(a)几种超声波检测物位工作原理4.3超声传感器与物位、厚度检测气介式液介式第37页，共62页，星期日，2025年，2月5日，超声波传播距离为H，波的传播速度为v，传播时间为Δt，则：H的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。4.3超声传感器与物位、厚度检测第38页，共62页，星期日，2025年，2月5日超声波物位计的特点：优点:无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量；不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关,适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带传声媒质的状态信息。(诊断或对传声媒质产生效应)缺点:不适宜被测液体中有气泡和悬浮物，而且液面不能有很大的波动；测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。4.3超声传感器与物位、厚度检测第39页，共62页，星期日，2025年，2月5日一、超声波测厚由于脉冲反射法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，超声波脉冲回波法是最常用的一种测厚方法。1.测量原理：脉冲回波法超声测厚原理是测量超声波脉冲通过试样所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度。d—样品厚度；c—超声波速度；t—超声波从发射到接收回波的时间间隔。4.3超声传感器