第七章超声波传感器PPT课件

1、2021-11-221第1页/共89页2021-11-2222.2.可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。第2页/共89页2021-11-2233.3.超声超声波波 蝙蝠能发出和听见超声波。第3页/共89页2021-11-224蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食第4页/共89页2021-11-225 超声波与可闻声波超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。有能量集中的特点。超声波雾化器超声波加湿器第5页/共89页2021-11-226 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，

2、能用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。用于集成电路及塑料的焊接。 超声波塑料焊接机第6页/共89页2021-11-227超声波金丝超声波金丝焊接机焊接机第7页/共89页2021-11-228 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。反射和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波探鱼器第8页/共89页2021-11-229超声波在医学检查超声波在医学检查中的应用中的应用 胎儿的胎儿的 B超影像超影像第9页/共89页2021

3、-11-2210超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每

4、个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为为“空化作用空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。业。第10页/共89页2021-11-2211超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂（参考湖南省浏阳市医

5、用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）资料）超声换能器超声换能器气泡波浪清洗物第11页/共89页2021-11-2212第一节第一节 超声波物理基础超声波物理基础 频率高于频率高于20kHz的机械振动波称为超的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越明显的反射和

6、折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。高，其声场指向性就愈好。第12页/共89页2021-11-2213超声波的波型超声波的波型分类分类 超声波的传播波型主要可分超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。为纵波、横波、表面波等几种。 第13页/共89页2021-11-2214纵纵波波第14页/共89页2021-11-2215横波横波 第15页/共89页2021-11-2216表面波表面波第16页/共89页2021-11-2217 第二节第二节 超声波换能器及耦合技术超声波换能器及耦合技术 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的

7、工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。 第17页/共89页2021-11-2218各种超声波探头各种超声波探头 （以下参考常州市常超检测设备有限公司资（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）料）常用频率范围：0.50.510MHz10MHz，常见

8、晶片直径：5 530mm30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质） 外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。 保护膜接插件第18页/共89页2021-11-2219接触式接触式 直探头原理直探头原理超声脉冲电超声脉冲电压输入端压输入端 接地端第19页/共89页2021-11-2220接触式斜探头接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）（横波、瑞利波或兰姆波探头） 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如3030 、4545 等）的有机玻璃斜楔块上，等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的

9、折当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件第20页/共89页2021-11-2221各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1 15MHz5MHz第21页/共89页2021-11-2222接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射

10、和接收的控制电路较单晶直探头简单。 发射晶片接收晶片第22页/共89页2021-11-2223各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围：焦距范围：5 540mm, 40mm, 频率范围：频率范围：2.52.55MHz5MHz，钢中折射角：，钢中折射角：4545 7070 第23页/共89页2021-11-2224接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续）第24页/共89页2021-11-2225 水浸探头水浸探头（可用自来水作为耦合剂）（可用自来水作为耦合剂） 选择声选择声透镜形状，可透镜形状，可决定聚焦形式决定聚焦形式为点聚焦或线为点聚焦或线聚焦。聚焦。第25页/共89页2021-11-22

11、26聚焦探头聚焦探头 由于超声波的波长很短（由于超声波的波长很短（毫米毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。

12、第26页/共89页2021-11-2227聚焦探头原理及外形聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头第27页/共89页2021-11-2228超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片 将将数百伏数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。第28页/共89页2021-11-2229第29页

13、/共89页2021-11-2230耦合耦合剂剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波

14、的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。 第30页/共89页2021-11-2231空气超声探头空气超声探头 a a） 超声发射器超声发射器 b b）超声接收器）超声接收器 1 1外壳外壳 2 2金属丝网罩金属丝网罩 3 3锥形共振盘锥形共振盘 4 4压电晶压电晶片片 5 5引脚引脚 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超声波束超声波束 第31页/共89页2021-11-2232空气超声探头（续）空气超声探头（续） 第32页/共89页2021-11-2233空气超声探头外空气超声探头外形形第33页

15、/共89页空气超声探头外形（续）空气超声探头外形（续）第34页/共89页2021-11-2235空气传导超声波电脉冲发生器空气传导超声波电脉冲发生器第35页/共89页2021-11-2236第三节第三节 超声波传感器的应用超声波传感器的应用 当超声发射器与接收器分别置于被当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物

16、位、金属探伤以及测厚等。测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 第36页/共89页2021-11-2237超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 第37页/共89页2021-11-2238超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 第38页/共89页2021-11-2239超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）质量检查质量检查紧固件的安装错误检测第39页/共89页2021-11-2240叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）第40页/共89页2021-11-2241超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测第41页/共8

17、9页2021-11-2242超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制第42页/共89页2021-11-2243机械手定位超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）第43页/共89页2021-11-2244纸卷直径检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）第44页/共89页2021-11-2245平整度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）第45页/共89页2021-11-2246超长距离检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）第46页/共89页2021-11-2247流水线计数超声波传感器超声波传感器应用举例

18、（续）应用举例（续）第47页/共89页2021-11-2248一、一、超声波流量计超声波流量计 F1发射的超声波先到达 T1第48页/共89页2021-11-2249测量流量原理分类测量流量原理分类 时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（装两对超声波发射和接收探头（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中F F1 1，T T1 1的超声的超声波是顺流传播的，而波是顺流传播的，而F F2 2，T T2 2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液的超声

19、波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差 t t，可得到流，可得到流体的平均速度及流量。体的平均速度及流量。 第49页/共89页2021-11-2250F1发射的超声波到达 F2的时间较短第50页/共89页2021-11-2251 频率差法测量流量原理频率差法测量流量原理： F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由波发射器与接收器用。首先由F1发射出第

20、一个超发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接接收，此信号经放大后再次触发收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲发射第二个声脉冲 。紧接着，由紧接着，由F2发射超声脉发射超声脉冲，而冲，而F1作接收器，可以测得作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率的脉冲重复频率为为f1。同理可以测得。同理可以测得F2的脉冲重复频率为的脉冲重复频率为f2。顺流。顺流发射频率发射频率f1与逆流发射频率与逆流发射频率f 2的频率差的频率差 f与被测与被测流速流速v成正比成正比 。F2F1第51页/共89页2021-11-2

21、252 发射、接收探头发射、接收探头也可以安装在管道的同也可以安装在管道的同一侧一侧第52页/共89页2021-11-2253同侧式同侧式超声波流量计的使用超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料）第53页/共89页2021-11-2254超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用第54页/共89页2021-11-2255超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速第55页/共89页2021-11-2256多普勒效应多普勒效应 前进方向的前进方向的频率升高频率升高 如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出 f 就可得到运动速

22、度。第56页/共89页2021-11-2257超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风 风引起超声波的频率变大或变小第57页/共89页2021-11-2258超声波测距超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间需的时间t t，再乘以空气的声速（，再乘以空气的声速（340m/s340m/s），就），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2

23、2就就得到距离。得到距离。 第58页/共89页2021-11-2259超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t t，再乘以被测体的声速常，再乘以被测体的声速常数数c c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2 2，就得到，就得到厚度厚度 ： 5-7 21

24、ct第59页/共89页2021-11-2260手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪第60页/共89页2021-11-2261某超声波测厚仪指标某超声波测厚仪指标 （参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料） 显示方法显示方法128128* *32 LCD 32 LCD 点阵液晶显示（带背光）点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位显示位数：四位 测量范围：测量范围：0.80.8200mm 200mm 示值精度：示值精度：0.1mm 0.1mm 声速范围：声速范围：1000 1000 9999m/s 9999m/s 测量周期：测量周期：2 2次次/ /秒秒 自动

25、关机时间：自动关机时间：9090秒秒 电源：二节七号（电源：二节七号（AAAAAA）电池，）电池，可连续工作不少于可连续工作不少于7272小时小时 使用温度：使用温度：-10-10C C 40 40C C 存储温度：存储温度：-20-20C C 70 70C C 外形尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230g （含电池）（含电池）第61页/共89页2021-11-2262超声波测厚超声波测厚石料测石料测厚厚第62页/共89页2021-11-2263超声波手持式测超声波手持式测厚厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚小提琴 木料测厚第63页/共89页2

26、021-11-2264双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头第64页/共89页2021-11-2265双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）第65页/共89页2021-11-2266超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。可测得液体的液面。 第66页/共89页2021-11-2267超声波液位计原理超声波液位计原理 1 1液面液面 2 2直管直管 3 3空气超声探头空气超声探头 4 4反射小板反射小板 5 5电子电子开关开关

27、 第67页/共89页2021-11-2268超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形喇叭形 超声超声发生器发生器第68页/共89页2021-11-2269超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率接收电路。发射器发射出频率 f=40kHz40kHz左右左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移波将由于多普勒效应，而发生频率偏移 f。 第69页/共89页2021-1

28、1-2270第四节第四节 无损探伤无损探伤 一、无损探伤的基本概念一、无损探伤的基本概念 人们在使用各种材料（尤其是金属材人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。核设备等。 路轨断裂事故第70页/共89页2021-11-2271无损探伤的方法无损探伤的方法 对缺陷的检测手段有破坏性试验和无对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象损探伤。由于无损探伤以

29、不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。为前提，所以得到广泛应用。 无损检测的方法有磁粉检测法、电涡无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（流法、荧光染色渗透法、放射线（x x光、中光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。子）照相检测法、超声波探伤法等。 第71页/共89页2021-11-2272磁粉检测磁粉检测法法磁悬液磁悬液磁粉检测仪 将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。第72页/共89页2021-11-2273X X光探伤光探伤 将将x x光发生器对准被测位置，将感

30、光光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。第73页/共89页2021-11-2274计算机断层成像技术计算机断层成像技术( (CT) )探伤探伤（参考（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）中国工程物理研究院应用电子学研究所资料） 计算机断层成计算机断层成像技术像技术 (CT) 是一种重是一种重要的要的 无无 损损 检检 测测 技技 术术 (NDT) ，是物理学，是物理学与计算机科学的发展产与计算机科学的发展产物。它是基于射线与物物。它是基于射线与物质的相互作用原理，通质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，检测物体的数字图像，全面解决了传统全面解决了传统 x射线射线摄影装置的影像重叠、摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。密度分辨率低等缺点。第74页/共89页2021-11-2