第讲超声检测

1、近代声学近代声学水声工程学院水声工程学院第第1 1章章 超声检测超声检测1.5 1.5 超声工程测量超声工程测量 1.5.1 1.5.1 超声测厚超声测厚 工业上许多构件的厚度都需要进行精密的厚度无损检测，例如生产线上压制工业上许多构件的厚度都需要进行精密的厚度无损检测，例如生产线上压制的板材厚度、管材的壁厚的在线检测，船舶壳体、高温高压容器、核电站中的的板材厚度、管材的壁厚的在线检测，船舶壳体、高温高压容器、核电站中的不锈钢管道、输油输气管线的管道等在役的厚度腐蚀检测等。不锈钢管道、输油输气管线的管道等在役的厚度腐蚀检测等。 超声测厚是一个成熟的超声检测应用领域。广泛用于各种板材、管材壁厚、

2、超声测厚是一个成熟的超声检测应用领域。广泛用于各种板材、管材壁厚、锅炉、容器壁厚及其局部腐蚀、锈蚀的情况。例如，西安化工厂在锅炉、容器壁厚及其局部腐蚀、锈蚀的情况。例如，西安化工厂在7台大型液氯台大型液氯贮罐检测中，超声测厚，查出贮罐检测中，超声测厚，查出2台罐体多处壁厚仅有台罐体多处壁厚仅有9mm(原设计原设计16mm)，已接，已接近最小允许极限，决定停止使用。超声测厚对冶金、造船、机械、化工、电力、近最小允许极限，决定停止使用。超声测厚对冶金、造船、机械、化工、电力、原子能等各工业部门的产品检验，对设备安全运行以及现代化管理起着重要的原子能等各工业部门的产品检验，对设备安全运行以及现代化管

3、理起着重要的作用。作用。 目前，超声测厚的范围，我国是目前，超声测厚的范围，我国是1.2至至200mm，精度，精度 mm。国外是。国外是0.2至至60mm，精度，精度: 以下，小于以下，小于10mm时精度时精度 mm，0.25至至50Omm时精度为时精度为13%。激光超声检测已进入了测厚领域。实验表明。激光超声检测已进入了测厚领域。实验表明:激光超声比常规超激光超声比常规超声方法的绝对声速测量精度可提高声方法的绝对声速测量精度可提高10倍，而且提高了测量薄件的能力。当前已倍，而且提高了测量薄件的能力。当前已普遍实行了小型化、数学化、带微机及多通道等技术。并可自动或连续超声测普遍实行了小型化、数

4、学化、带微机及多通道等技术。并可自动或连续超声测厚。厚。 1%0.10.3%0.01第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.1 1.5.1 超声测厚超声测厚 超声测厚具有很多优点：它的测量精度高，在测量几毫米以上的厚度超声测厚具有很多优点：它的测量精度高，在测量几毫米以上的厚度时，可达时，可达0.1%0.5%的精度，超声波处理方便，并有良好的指向性，的精度，超声波处理方便，并有良好的指向性，超声技术测量金属、非金属材料的厚度，既快又准确，无污染，尤其是超声技术测量金属、非金属材料的厚度，既快又准确，无污染，尤其是在只许可一个侧面可接触的场合更能显示其优越性。在只许可一个侧面可接触的场合更能显示

5、其优越性。 超声测厚的主要超声测厚的主要方法有方法有共振法、干涉法、脉冲回波法共振法、干涉法、脉冲回波法等多种方法。等多种方法。1.5.1 1.5.1 超声测厚（超声测厚（1 1、共振法测厚）、共振法测厚） 超声共振法测厚的原理是，当一束频率连续可变的超声波，垂直入射超声共振法测厚的原理是，当一束频率连续可变的超声波，垂直入射到有一定厚度的被测工件上时，设超声波频率变化到一定值上时，被测到有一定厚度的被测工件上时，设超声波频率变化到一定值上时，被测工件的厚度等于半波长的整数倍，这时，从工件后表面反射回来的声波工件的厚度等于半波长的整数倍，这时，从工件后表面反射回来的声波和入射的行波叠加形成驻波

6、，即在工件厚度方向上引起共振。和入射的行波叠加形成驻波，即在工件厚度方向上引起共振。 第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.1 1.5.1 超声测厚（超声测厚（1 1、共振法测厚）、共振法测厚） 超声共振法测厚的原理是，当一束频率连续可变的超声波，垂直入射超声共振法测厚的原理是，当一束频率连续可变的超声波，垂直入射到有一定厚度的被测工件上时，设超声波频率变化到一定值上时，被测到有一定厚度的被测工件上时，设超声波频率变化到一定值上时，被测工件的厚度等于半波长的整数倍，这时，从工件后表面反射回来的声波工件的厚度等于半波长的整数倍，这时，从工件后表面反射回来的声波和入射的行波叠加形成驻波，即在工件

7、厚度方向上引起共振。和入射的行波叠加形成驻波，即在工件厚度方向上引起共振。 设工件的厚度为设工件的厚度为 ，声波在介质中传播的波长为，声波在介质中传播的波长为 则则d2dn(1,2,3,.)n 2ncdnf(1,2,3,.)n 如果已知两个不相邻的谐波频率如果已知两个不相邻的谐波频率 ,nmff2mnmn cdff1mnffmn f 此种方法原理虽简单，但实现起来很不容易，因为激发换能器的发生器和换此种方法原理虽简单，但实现起来很不容易，因为激发换能器的发生器和换能器的频率范围都要在较宽的范围内可调，使之产生共振，从而使这个原理简能器的频率范围都要在较宽的范围内可调，使之产生共振，从而使这个原

8、理简单的问题复杂化单的问题复杂化 第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.1 1.5.1 超声测厚（超声测厚（2 2、干涉法测厚）、干涉法测厚） 超声干涉式测厚原理是当一束声波垂直入射到被测工件上时，由于超声干涉式测厚原理是当一束声波垂直入射到被测工件上时，由于工件在空气中工件在空气中 (或其它异性介质中或其它异性介质中)存在两个界面，声波从前表面上反射存在两个界面，声波从前表面上反射和从后表面上反射后叠加产生干涉，如果工件的厚度恰好是声波的半波和从后表面上反射后叠加产生干涉，如果工件的厚度恰好是声波的半波长长 的整数倍时，若两个信号的相位相差的整数倍时，若两个信号的相位相差 即反相叠加，干涉

9、后相即反相叠加，干涉后相互抵消，这时显示的声强度等于或接近于零而趋于最小。此时通过测量互抵消，这时显示的声强度等于或接近于零而趋于最小。此时通过测量声波频率即可测出工件的厚度。干涉法不同于共振法原理，干涉法是工声波频率即可测出工件的厚度。干涉法不同于共振法原理，干涉法是工件前后表面上反射波的干涉叠加，并根据声波幅度的变化来判断干涉状件前后表面上反射波的干涉叠加，并根据声波幅度的变化来判断干涉状态。另外，发射和接收换能器可以和被测工件分开，互不接触。而共振态。另外，发射和接收换能器可以和被测工件分开，互不接触。而共振法是入射声波和后表面上的反射声波叠加而产生共振，即形成驻波，另法是入射声波和后表

10、面上的反射声波叠加而产生共振，即形成驻波，另外，发射和接收换能器必须和被测工件表面相接触。外，发射和接收换能器必须和被测工件表面相接触。 超声干涉式测厚可以使用连续波也可以使用脉冲波，使用连续波时超声干涉式测厚可以使用连续波也可以使用脉冲波，使用连续波时发射换能器和接收换能器必须分开，脉冲波二者可以兼用。发射换能器和接收换能器必须分开，脉冲波二者可以兼用。 /2180第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.1 1.5.1 超声测厚（超声测厚（3 3、脉冲反射式测厚）、脉冲反射式测厚） 脉冲反射法测量厚度适应性较强，无论被测介质是固体，液体或气体均可脉冲反射法测量厚度适应性较强，无论被测介质是固

11、体，液体或气体均可进行测量。一般在气体中的测量称为超声测距，或称声尺。在本章的超声测量进行测量。一般在气体中的测量称为超声测距，或称声尺。在本章的超声测量流量、物位等节中，已经提到因为在气体介质中，声速随温度变化很大，直接流量、物位等节中，已经提到因为在气体介质中，声速随温度变化很大，直接影响测量量精度，所以，在测距中必须进行温度补偿。影响测量量精度，所以，在测距中必须进行温度补偿。 脉冲反射式的厚度测量可分为两种测量方法：一是接触式测量厚度，二是脉冲反射式的厚度测量可分为两种测量方法：一是接触式测量厚度，二是非接触式测量，接触式测量一般用于普通工件的厚度测量。非接触式厚度测量非接触式测量，接

12、触式测量一般用于普通工件的厚度测量。非接触式厚度测量用于复杂恶劣环境中，探头不易和工件表面接触，如高温、高压、或具有强烈用于复杂恶劣环境中，探头不易和工件表面接触，如高温、高压、或具有强烈腐蚀性的环境。一般接触式的探头可通过改制成水浸聚焦探头，从而和工件表腐蚀性的环境。一般接触式的探头可通过改制成水浸聚焦探头，从而和工件表面脱离，但这时的测量要分两部分：一部是探头距工件表面的距离，这部分是面脱离，但这时的测量要分两部分：一部是探头距工件表面的距离，这部分是声在水中传播的距离，第二部分是在工件中传播的距离。声在水中传播的距离，第二部分是在工件中传播的距离。 超声测厚是超声工程测量方面一个重要应用

13、。在工业生产的实际运用中，超声测厚是超声工程测量方面一个重要应用。在工业生产的实际运用中，还存在许多问题，如探头的分辨率如何提高，降低探头的盲区问题以及在电子还存在许多问题，如探头的分辨率如何提高，降低探头的盲区问题以及在电子线路中如何实现等问题都有待于认真研究解决，才能提高厚度检测的质量。目线路中如何实现等问题都有待于认真研究解决，才能提高厚度检测的质量。目前超声测厚技术的发展主要集中在三个方面：一是对于超薄材料前超声测厚技术的发展主要集中在三个方面：一是对于超薄材料 ( (如如: :薄膜等薄膜等) )的测厚问题。二是高温材料的测厚问题。三是在线检测厚度的自动化，智能化的测厚问题。二是高温材

14、料的测厚问题。三是在线检测厚度的自动化，智能化问题。随着生产的发展和科学技术的进步，这些问题将会得到解决的。问题。随着生产的发展和科学技术的进步，这些问题将会得到解决的。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.1 1.5.1 超声测厚（超声测厚（3 3、脉冲反射式测厚）、脉冲反射式测厚） 脉冲反射式超声测厚法是工业生产中常用的一种方法，因为它具有结构简脉冲反射式超声测厚法是工业生产中常用的一种方法，因为它具有结构简单，操作方便，容易实现等特点而被广泛采用。共振法和干涉法在使用中受到单，操作方便，容易实现等特点而被广泛采用。共振法和干涉法在使用中受到限制，如所测的厚度受到限制，被测工件不能太厚，

15、否则会因声能衰减较多，限制，如所测的厚度受到限制，被测工件不能太厚，否则会因声能衰减较多，回波能量太小不能产生共振，这些问题都会给在实际测量中带来许多不便。回波能量太小不能产生共振，这些问题都会给在实际测量中带来许多不便。 脉冲回波法是根据脉冲声波在工件中传播的时间间隔与其在工件中传播的脉冲回波法是根据脉冲声波在工件中传播的时间间隔与其在工件中传播的速度的乘积而确定工件的厚度速度的乘积而确定工件的厚度 的，如果采用透射法，则只需测出声波从发射的，如果采用透射法，则只需测出声波从发射探头发出经工件传播，再由接收探头接收到声波的时间间隔探头发出经工件传播，再由接收探头接收到声波的时间间隔 与在工件

16、中传播与在工件中传播的声速的声速 的乘积即可求出厚度的乘积即可求出厚度 。采用脉冲反射法时，因为声波从探头发出经。采用脉冲反射法时，因为声波从探头发出经工件传至后表面，再由后界面处反射回探头被接收，两次经过工件传播，所以，工件传至后表面，再由后界面处反射回探头被接收，两次经过工件传播，所以，工件厚度工件厚度式中式中 是声波在工件中传播的速度，是声波在工件中传播的速度， 是声波从发出到接收的时间间隔。是声波从发出到接收的时间间隔。 ddttcc2c tdd第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2 1.5.2 流速流量的测定流速流量的测定 用超声技术测量流量是超声在工业检测中应用较早的方面之一。

17、在用超声技术测量流量是超声在工业检测中应用较早的方面之一。在石油化工、塑料工业、水文监测以及人体的血液流量等方面都要用到流石油化工、塑料工业、水文监测以及人体的血液流量等方面都要用到流量计，它与浮子流量计等比较有以下优点：量计，它与浮子流量计等比较有以下优点：(1)(1)非接触检测特点，不接触介质，测量时不会干扰介质的流动状态，非接触检测特点，不接触介质，测量时不会干扰介质的流动状态，因而对管道内流体不产生附加作用。因而对管道内流体不产生附加作用。(2)(2)超声方法检测流量，因为它是非接触式，所以不受流体本身的物超声方法检测流量，因为它是非接触式，所以不受流体本身的物理性质及化学性质的影响，

18、如流体的粘滞性，导电性以及混浊程度等理性质及化学性质的影响，如流体的粘滞性，导电性以及混浊程度等的影响。这种检测流量的方法不受环境约束，适应性较强。的影响。这种检测流量的方法不受环境约束，适应性较强。(3)(3)超声流量计的读数与流量成线性关系，可以作成直读式或记录式超声流量计的读数与流量成线性关系，可以作成直读式或记录式的，使用都很方便。的，使用都很方便。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2 1.5.2 流速流量的测定流速流量的测定目前，常用的超声测量流量的方法有以下几种目前，常用的超声测量流量的方法有以下几种 这几种测量流体流量的方法都是先测出流体流动的速度，进而获得流体流这几种测量

19、流体流量的方法都是先测出流体流动的速度，进而获得流体流量。因为一般情况下，流体的截面积易于获得，流量量。因为一般情况下，流体的截面积易于获得，流量 可由下式表示可由下式表示式中式中 是管道中流体平均的流动速度，是管道中流体平均的流动速度， 是管道中流体的横截面积。管道里流是管道中流体的横截面积。管道里流速的测量和空气中风速的测量原理类似，但具体实现起来的方法有所不同。速的测量和空气中风速的测量原理类似，但具体实现起来的方法有所不同。声环法时差法 脉冲间隔法相差法超声测量流量声束偏转法多普勒法QVAQAV第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2 1.5.2 流速流量的测定流速流量的测定 1 1

20、、时差法测量流量时差法测量流量 时差法测量流体流量是声脉冲在管道内流体中顺流传播和逆流传播时差法测量流体流量是声脉冲在管道内流体中顺流传播和逆流传播的时间差来求得流量的，时差法具体有三种测量法分别介绍如下：的时间差来求得流量的，时差法具体有三种测量法分别介绍如下： (1) (1) 声环法声环法 声环法亦称频差法，其测量原理如图所示声环法亦称频差法，其测量原理如图所示DV1T2R2T1Rcc声环法测量流量原理图声环法测量流量原理图 第一组一发一收探头顺着流体流动第一组一发一收探头顺着流体流动的方向发射，并与流体流动的速度的方向发射，并与流体流动的速度成角度成角度 ，这时使发射探头，这时使发射探头

21、 发出发出的声波以自身的传播速度的声波以自身的传播速度 和流体和流体流动的速度流动的速度 在声波传播方向上的在声波传播方向上的分量分量 的合成速度即的合成速度即 进进行传播。行传播。第二组一发一收探头是逆着流体流动的方向发射，并于流体流动的方向第二组一发一收探头是逆着流体流动的方向发射，并于流体流动的方向成成 角，其合成速度为角，其合成速度为 。假定圆管的直径为。假定圆管的直径为 ，则两次发射声波，则两次发射声波在其方向上传播的时间各自为在其方向上传播的时间各自为: : 1TVccosVcosc Vcosc VD1cosLtcV2cosLtcVsinDL第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.

22、2 1.5.2 流速流量的测定流速流量的测定 1 1、时差法测量流量时差法测量流量 在实际测量中经常用一组探头，这一组探头是用收发两用材料构成的，既可以发射声波又可以接收声波。声环法的基本原理是当探头 受电信号激励后发射声波，在流体介质(下简称流介)中传播后被探头 接收，然后再经放大后的电脉冲去激励探头 ，形成一次循环过程，即1T1T1R1T 流介流介 11RT 如果忽略其它延迟因素，其脉冲的重复周期，也就是声波在流体介如果忽略其它延迟因素，其脉冲的重复周期，也就是声波在流体介质中的传播时间为质中的传播时间为 1cosLtcV1coscVfL 相反从探头相反从探头 ，发出的声脉冲经流介传播之后

23、被，发出的声脉冲经流介传播之后被 接收。转换成电接收。转换成电信号经放大后再返回激励信号经放大后再返回激励 ，形成一次循环即，形成一次循环即 1R1T1R1R 流介流介 11TR第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2 1.5.2 流速流量的测定流速流量的测定 1 1、时差法测量流量时差法测量流量其脉冲重复频率其脉冲重复频率 1R 流介流介 11TR2coscVfL12coscos2coscVcVVLfffLLL 流速流速 流量流量2cos2sincosL fD fV2328 sincosDDfQV第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2 1.5.2 流速流量的测定流速流量的测定 2 2、

24、脉冲间隔法脉冲间隔法如果声脉冲是从如果声脉冲是从 发出发出 接收，声波在流体介质中传播的时间接收，声波在流体介质中传播的时间 当当 1T1R1t1cosLtcV如果声脉冲是从如果声脉冲是从 发出发出 接收，声波在流体介质中传播的时间接收，声波在流体介质中传播的时间 1R1T2t2cosLtcV212222 coscoscoscosLLvtttcVcVcV 222coscV22cosVLtc sinDL22DVtctgc 流速流速 22ctVDctg 流量流量2228DDQVct tg 第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2.1 1.5.2.1 声束偏移法测量流量声束偏移法测量流量 借助于声

25、束在流介中位移的方法也可以测量流量。由于流体在流动时，把探头发射的声波向前扰动了一个位置，使得声束向前偏移了 距离。如图所示 LDLABVT原声束和被扰动后的声束之间的夹角为 VLtgcDLVcD244DLcDQV流量流量流速流速 第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2.1 1.5.2.1 声束偏移法测量流量声束偏移法测量流量DLABVT 由于声束在流体的扰动下发生偏移，在检测时，在相对发射由于声束在流体的扰动下发生偏移，在检测时，在相对发射探头探头 的对侧，在流体静止而不流动时的声轴线对称两侧安装两的对侧，在流体静止而不流动时的声轴线对称两侧安装两个接收探头个接收探头 和和 ,当流体不流

26、动探头当流体不流动探头 发射声波时，两个接收探发射声波时，两个接收探头头 和和 由于对称安装，所以接收到的声信号强度相同，如果流由于对称安装，所以接收到的声信号强度相同，如果流体流动，促使声速偏移，则探头体流动，促使声速偏移，则探头 和和 接收到的信号强度不相同。接收到的信号强度不相同。偏移量越大，这个差值就越大，但流体流动引起对声束的偏移量偏移量越大，这个差值就越大，但流体流动引起对声束的偏移量 毕竟是很小的，大约只有管道直径的毕竟是很小的，大约只有管道直径的1/1000。所以，在实际采用。所以，在实际采用这种方法测量流量时，为了增大偏移量，采用折射变换器的方法这种方法测量流量时，为了增大偏

27、移量，采用折射变换器的方法使声线在管内产生多次反射，以扩大偏移量来提高流量检测的灵使声线在管内产生多次反射，以扩大偏移量来提高流量检测的灵敏度。敏度。TT1R1R1R2R2R2RL第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2.11.5.2.1超声多普勒法测量流量超声多普勒法测量流量从而声波频率发生变化，在原有的超声波频率从而声波频率发生变化，在原有的超声波频率 上将变化一个频移上将变化一个频移 。设发射探头发射的声波频率为设发射探头发射的声波频率为 ，而经过流体介质，而经过流体介质( (或悬浮粒子或悬浮粒子) )折射折射后到达接收器后到达接收器 的声波频率为的声波频率为 ，二者之间的关系为，二者

28、之间的关系为超声多普勒测流量的方法是常用的一种方法，其原理如图所示超声多普勒测流量的方法是常用的一种方法，其原理如图所示。贴在被检流体容器壁上的两个声头贴在被检流体容器壁上的两个声头 ， ，( 是发射探头，是发射探头， 是接收探头是接收探头)。当发射探。当发射探头发射一束声波后，以一定角度头发射一束声波后，以一定角度 射入流射入流体介质，流体介质以一定的速度沿图示方体介质，流体介质以一定的速度沿图示方向流动，由于声波和流动的流介都是运动向流动，由于声波和流动的流介都是运动物体，相互作用必然有多普勒效应产生，物体，相互作用必然有多普勒效应产生，TTRRffTfRRfcoscosRTcVffcV多

29、普勒频移为接收换能器接收到的声波多普勒频移为接收换能器接收到的声波频率与发射换能器发射声波频率之差即频率与发射换能器发射声波频率之差即2 coscosRTTVffffc V 第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2.21.5.2.2超声多普勒法测量流量超声多普勒法测量流量超声多普勒测流量的方法是常用的一种方法，其原理如图所示超声多普勒测流量的方法是常用的一种方法，其原理如图所示。当当coscV2 coscosRTTVffffc V 2cosTVffc 流速流速 2cosTfcVf流量流量 2248cosTDDfcQVf1.6.41.6.4超声检测流量误差的修正超声检测流量误差的修正超声方法检

30、测流量，其测量误差大致可以包括以下几方面超声方法检测流量，其测量误差大致可以包括以下几方面 被测介质的温度或浓度的变化将引起声速的变化，从而产生测量流被测介质的温度或浓度的变化将引起声速的变化，从而产生测量流量的误差。量的误差。 在流速断面上的流速分布不均匀，有一定梯度分布，象层流等的出在流速断面上的流速分布不均匀，有一定梯度分布，象层流等的出现和理想化的流速分布不相同而引起的误差现和理想化的流速分布不相同而引起的误差。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2.31.5.2.3超声检测流量误差的修正超声检测流量误差的修正 对温度引起的误差修正，一般都是采用对温度引起的误差修正，一般都是采用折

31、射式变换器，这样把流体流速与频移的关折射式变换器，这样把流体流速与频移的关系式中的流体声速变换成固体声导中的声速，系式中的流体声速变换成固体声导中的声速，因为固体声速的温度系数比流体声速的温度因为固体声速的温度系数比流体声速的温度系数低一个数量级，这样就可使流量测量的系数低一个数量级，这样就可使流量测量的精度高一个数量级，折射式变换器的基本原精度高一个数量级，折射式变换器的基本原理如图所示理如图所示 由一个有机玻璃斜楔贴附在容器壁上，发射探头由一个有机玻璃斜楔贴附在容器壁上，发射探头 (或接收探头或接收探头)贴在斜楔斜面上贴在斜楔斜面上构成一个斜探头，探头发射的声波经过斜楔传播经管壁进入管道内

32、的流介，声构成一个斜探头，探头发射的声波经过斜楔传播经管壁进入管道内的流介，声波经斜楔进入流介时发生折射，根据折射定律有波经斜楔进入流介时发生折射，根据折射定律有11sinsinccsincos11cossincc11cossincc第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.2.31.5.2.3超声检测流量误差的修正超声检测流量误差的修正对多普勒方法测量流体流量进行修正对多普勒方法测量流体流量进行修正 这样就用这样就用 和和 代替了原来的代替了原来的 和和 ，也就是用固体（即有机玻璃），也就是用固体（即有机玻璃）中的声速代替了流体中的声速，因为固体的温度系数低，因此降低了温中的声速代替了流体中的

33、声速，因为固体的温度系数低，因此降低了温度对声速的影响，提高了测量精度。度对声速的影响，提高了测量精度。2248cosTDDfcQVf11cossincc2118sinTfcDQf1c1sinccos第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量 超声测量物位是超声测量中最常见的一种技术，其中包括液位测超声测量物位是超声测量中最常见的一种技术，其中包括液位测量和料位测量两个方面的内容。量和料位测量两个方面的内容。 超声液位测量大多采用脉冲回波法。根据传声介质的不同分为液介式，超声液位测量大多采用脉冲回波法。根据传声介质的不同分为液介式，气介式和固介式的三种形式

34、。气介式和固介式的三种形式。1 1、超声液位测量原理、超声液位测量原理第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量1 1、超声液位测量原理、超声液位测量原理 精确测量出发射和接收声脉冲之间的时间间隔，若知精确测量出发射和接收声脉冲之间的时间间隔，若知(或测出或测出)声波在介质声波在介质中的传播速度中的传播速度 ，则探头距液面的距离，则探头距液面的距离 如果测量是液介式的，换能器必须安装在液体中最低液位之下，如图所示，如果测量是液介式的，换能器必须安装在液体中最低液位之下，如图所示，这时这时 可认为是液位高度。若用气介式的测量法，换能器是安装在最高液位之可认为

35、是液位高度。若用气介式的测量法，换能器是安装在最高液位之上的空气介质里，如图所示，这时液位的高度就不是上的空气介质里，如图所示，这时液位的高度就不是 而是探头距底面的高度而是探头距底面的高度 减去探头距液面的高度减去探头距液面的高度 即即cL12Lc tLLLH12hHLHc t第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量1 1、超声液位测量原理、超声液位测量原理 对于固介式的测量方式是把传声固体棒或管插入液体中，棒的上对于固介式的测量方式是把传声固体棒或管插入液体中，棒的上端要高出液面，发射或接收探头安装在棒的顶端上。发射和接收声波端要高出液面，发射或接收

36、探头安装在棒的顶端上。发射和接收声波是沿着固体传播的，计算液位时式仍可适用，但这时式中的是沿着固体传播的，计算液位时式仍可适用，但这时式中的 是固体是固体中传播的声速，中传播的声速， 是换能器到液面棒的长短。是换能器到液面棒的长短。cL 液介式和固介式属于接触测量。声波在固体和液体中传播时衰减液介式和固介式属于接触测量。声波在固体和液体中传播时衰减比较小，温度系数也比较好，因而，声速随温度变化比较小，声阻抗比较小，温度系数也比较好，因而，声速随温度变化比较小，声阻抗也容易匹配，因此一般所用超声频率也较高，甚至达兆赫级。气介式也容易匹配，因此一般所用超声频率也较高，甚至达兆赫级。气介式是非接触测

37、量形式。虽然安装简单，使用方便，对换能器要求也不严是非接触测量形式。虽然安装简单，使用方便，对换能器要求也不严格，但环境温度变化对测量影响极大。另外在空气中声衰减也大。声格，但环境温度变化对测量影响极大。另外在空气中声衰减也大。声阻抗也不容易匹配，所以，气介式的换能器使用频率一般较低，从几阻抗也不容易匹配，所以，气介式的换能器使用频率一般较低，从几十十 到几百到几百 。kHzkHz第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量2 2、超声料位测量原理、超声料位测量原理 料位测量和液位测量一样，也可分为定点测量和连续测量两种形料位测量和液位测量一样，也可分为定点

38、测量和连续测量两种形式，因为测量对象都是大型容器或窑炉中的粉未状，颗粒状或块状的式，因为测量对象都是大型容器或窑炉中的粉未状，颗粒状或块状的物质，所以，一般采用气介式的测量方法。物质，所以，一般采用气介式的测量方法。 料位的定点超声测量比较现实的方法是空气中的穿透方式，如图料位的定点超声测量比较现实的方法是空气中的穿透方式，如图所示所示（1 1） 定点料位测量定点料位测量发射探头接收探头料面第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量2 2、超声料位测量原理、超声料位测量原理 料位测量和液位测量一样，也可分为定点测量和连续测量两种形料位测量和液位测量一样，也

39、可分为定点测量和连续测量两种形式，因为测量对象都是大型容器或窑炉中的粉未状，颗粒状或块状的式，因为测量对象都是大型容器或窑炉中的粉未状，颗粒状或块状的物质，所以，一般采用气介式的测量方法。物质，所以，一般采用气介式的测量方法。 料位的定点超声测量比较现实的方法是空气中的穿透方式，如图料位的定点超声测量比较现实的方法是空气中的穿透方式，如图所示所示（1 1） 定点料位测量定点料位测量发射探头接收探头料面 超声探头收发分开布置超声探头收发分开布置在需要定点测量的料位高度在需要定点测量的料位高度的两侧，发射探头受激励后的两侧，发射探头受激励后发出超声波，如果没有料物发出超声波，如果没有料物阻挡，声波

40、在介质中直达接阻挡，声波在介质中直达接收探头被接收，收探头被接收， 除空气中声能衰减外，可有一定强度的声信号被接收，若收发探头间有除空气中声能衰减外，可有一定强度的声信号被接收，若收发探头间有料物阻挡，声波会在料物上被反射和散射以及吸收，使得到达接收探头上的料物阻挡，声波会在料物上被反射和散射以及吸收，使得到达接收探头上的声信号大为减少，所以，和无阻挡时的换能器信号相差甚远，这样就可进行声信号大为减少，所以，和无阻挡时的换能器信号相差甚远，这样就可进行料位的定点检测。料位的定点检测。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量2 2、超声料位测量原理、超声料

41、位测量原理（2 2）料位的连续测量）料位的连续测量 连续测量料位不能用穿透式气介方式，而只能采用脉冲回波气连续测量料位不能用穿透式气介方式，而只能采用脉冲回波气介方式进行检测，如图所示：介方式进行检测，如图所示： 可用单发单收探头也可用收发可用单发单收探头也可用收发共用一个探头，探头要装在容器共用一个探头，探头要装在容器顶部，使其和所加料位有一定的顶部，使其和所加料位有一定的距离，接收探头接收到从料物反距离，接收探头接收到从料物反射回来的声波即可计算出料位的射回来的声波即可计算出料位的高度。料位测量不像液位那样容高度。料位测量不像液位那样容易检测，而有一定的难度，其原易检测，而有一定的难度，其

42、原因：因： 进料口收发两用探头侧壁反射回波 料位的料面不平坦，不整齐，而且有一定的倾斜面，再加上料物的颗粒料位的料面不平坦，不整齐，而且有一定的倾斜面，再加上料物的颗粒大，造成漫散射，能量损失大，接收探头所接收到的声信号比较小，有时侧大，造成漫散射，能量损失大，接收探头所接收到的声信号比较小，有时侧壁反射信号也会干扰检测，必须在电路上采取一些有效措施，如壁反射信号也会干扰检测，必须在电路上采取一些有效措施，如“选通门选通门”等办法才可以有效滤除干扰。等办法才可以有效滤除干扰。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.3 1.5.3 超声物位测量超声物位测量2 2、超声料位测量原理、超声料位测量原

43、理（2 2）料位的连续测量）料位的连续测量 料面检测时只能测量到料面某一处的高度，或由此而估算出料位的平料面检测时只能测量到料面某一处的高度，或由此而估算出料位的平均高度，所以，料位的测量精度比较低。均高度，所以，料位的测量精度比较低。 高温有粉尘飞扬等恶劣环境中，料面上空声速形成一梯度变化，根据高温有粉尘飞扬等恶劣环境中，料面上空声速形成一梯度变化，根据式式 所测出的声速所测出的声速 ，而计算料位带来的误差也比较大。，而计算料位带来的误差也比较大。 由于加料和出料时机器转动的噪声，料块之间的摩擦噪声等都会影响由于加料和出料时机器转动的噪声，料块之间的摩擦噪声等都会影响检测，但只要在频率选择上

44、避开噪声范围，或采取滤波的方法都会收到检测，但只要在频率选择上避开噪声范围，或采取滤波的方法都会收到较好效果。如上述噪声频率较低，选用频率较高的换能器，即可排除其较好效果。如上述噪声频率较低，选用频率较高的换能器，即可排除其噪声干扰。噪声干扰。进料口收发两用探头侧壁反射回波(1/2)Lc tc第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.4 1.5.4 风速的超声测量风速的超声测量1 1、超声测量风速的原理超声测量风速的原理 图中安装了两只相向的导管式超图中安装了两只相向的导管式超声换能器声换能器1 1和和2 2。这两只换能器都是。这两只换能器都是收发两用的，它们分别发射一定周收发两用的，它们分别发

45、射一定周期的脉冲信号，期的脉冲信号，1 1发射声波时，发射声波时，2 2接接收声波；收声波；2 2发射声波时，发射声波时，1 1接收声波。接收声波。两只换能器之间的距离为两只换能器之间的距离为 。在空。在空气中超声的传播是通过空气的振动气中超声的传播是通过空气的振动进行的，在顺风时，传播速度快一进行的，在顺风时，传播速度快一些，逆风时，超声传播时间慢一些。些，逆风时，超声传播时间慢一些。L换能器12t1t换能器2V声波由声波由1传到传到2（顺风时）所用时间为（顺风时）所用时间为 ，声波由，声波由2传到传到1（逆风时）所用时间为（逆风时）所用时间为 ，设所要测量风速为，设所要测量风速为 ， 和和

46、 可以用下面的方程式表示可以用下面的方程式表示1LtcV2LtcVL1t2tV1t2t211 22ttLVt t第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.4 1.5.4 风速的超声测量风速的超声测量2 2、超声测风速的特点、超声测风速的特点 可测量微风速，由于没有向排风管内插入任何物体，可测量微风速，由于没有向排风管内插入任何物体，也没有可动的机械部分，因此维修保养检查方便。也没有可动的机械部分，因此维修保养检查方便。 气体种类变化、环境温度不受影响。因此输出信号气体种类变化、环境温度不受影响。因此输出信号呈线性，有利于数据处理及控制。呈线性，有利于数据处理及控制。 气体温度过高时，超声波的衰减

47、将增加气体温度过高时，超声波的衰减将增加( ( 约约为为 ) )，有时导致不能测量。，有时导致不能测量。 当气体中混入灰尘时，超声向灰尘辐射时，产生散当气体中混入灰尘时，超声向灰尘辐射时，产生散射，使系统噪声增加，从而引起测量精度下降。射，使系统噪声增加，从而引起测量精度下降。30017dB第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.5 1.5.5 超声测温超声测温 用超声方法测量温度大约在用超声方法测量温度大约在100多年以前就有人提出这种设想，由多年以前就有人提出这种设想，由于各种条件所限没有真正付诸实施，随着科学技术和工业生产的发展，于各种条件所限没有真正付诸实施，随着科学技术和工业生产的发

48、展，尤其是在一些特殊环境中测温的需要，促使了超声测温技术的迅速进步。尤其是在一些特殊环境中测温的需要，促使了超声测温技术的迅速进步。测温技术应用相当广泛，诸如化工、机械、冶金、塑料合成、超导技术、测温技术应用相当广泛，诸如化工、机械、冶金、塑料合成、超导技术、航空航天以及核反应等领域都需要进行温度测量。一般的温度计航空航天以及核反应等领域都需要进行温度测量。一般的温度计 (如水如水银温度计等银温度计等)都是接触测温，使温度计和被测介质相接触，使被测介质的都是接触测温，使温度计和被测介质相接触，使被测介质的温度和温度计敏感部分温度达以平衡后，以敏感部分的体积或高度来衡温度和温度计敏感部分温度达以

49、平衡后，以敏感部分的体积或高度来衡量温度的高低，因为二者温度平衡有一定的时间过程，所以，用这种温量温度的高低，因为二者温度平衡有一定的时间过程，所以，用这种温度计测量温度比较慢。另外，这些温度计在测温时是由于体积或高度变度计测量温度比较慢。另外，这些温度计在测温时是由于体积或高度变化来衡量温度的高低，测量范围受到一定限制，如以超高温（温度达化来衡量温度的高低，测量范围受到一定限制，如以超高温（温度达1万度以上）或超低温测量万度以上）或超低温测量 (如如2K20K温度温度)都比较困难。超声测温有着都比较困难。超声测温有着测温范围宽，非接触以及反应速度快，可遥测遥控等特点而被广泛关注。测温范围宽，

50、非接触以及反应速度快，可遥测遥控等特点而被广泛关注。 超声测温分为两大类。一是直接测量空气中的温度，称为气介温度超声测温分为两大类。一是直接测量空气中的温度，称为气介温度计。二是利用对温度敏感的固体作为中间介质来测温，称为固介式的温计。二是利用对温度敏感的固体作为中间介质来测温，称为固介式的温度计。度计。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.5 1.5.5 超声测温超声测温1 1、气介超声温度计的测量原理及方法、气介超声温度计的测量原理及方法 气介式温度计不用中间介质作为测温体，而是直接测量声波在空气气介式温度计不用中间介质作为测温体，而是直接测量声波在空气中的传播速度，以求得空气中的真实温

51、度。中的传播速度，以求得空气中的真实温度。空气中的声速空气中的声速 与绝热温度与绝热温度 ，水蒸气张力，水蒸气张力 ，气压，气压 之间的关系是之间的关系是cTeP20.0671 0.3192ecTP通常环境条件下，空气中声速与温度的关系可表示为通常环境条件下，空气中声速与温度的关系可表示为20.067cT22220.067402.684ccT 只要测知介质中的声速只要测知介质中的声速 便可求出温度便可求出温度 c若表示成摄氏温度若表示成摄氏温度 2273273402.684ctT第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.5 1.5.5 超声测温超声测温1 1、气介超声温度计的测量原理及方法、气介

52、超声温度计的测量原理及方法 还可以利用测量声波的传播时间来求声速。在介绍风速的超声测量还可以利用测量声波的传播时间来求声速。在介绍风速的超声测量中提到，超声波顺风时传播距离中提到，超声波顺风时传播距离 所需时间为所需时间为 ，逆风时传播相同的距，逆风时传播相同的距离所需时间为离所需时间为 ，且，且 和和 由下式表示：由下式表示： L1t2t1t2t1LtcV2LtcVV消去消去 121 22ttLct t 温度温度的测量与风速的测量一样，只要测出超声波的传播时间就可的测量与风速的测量一样，只要测出超声波的传播时间就可求出，因此，国外一些速度测量仪同时兼有温度测量。求出，因此，国外一些速度测量仪

53、同时兼有温度测量。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.5 1.5.5 超声测温超声测温2 2、固介式超声温度计原理、固介式超声温度计原理 固介式的超声测温原理是用一些对温度比较敏感的固体元件作为传固介式的超声测温原理是用一些对温度比较敏感的固体元件作为传声介质，测量出声速随温度的变化，即可求出温度。固介式的温度计有声介质，测量出声速随温度的变化，即可求出温度。固介式的温度计有两种类型，一种是以石英为敏感元件的石英温度计；另一种是以细丝为两种类型，一种是以石英为敏感元件的石英温度计；另一种是以细丝为敏感元件做成的温度计。主要介绍石英温度计。敏感元件做成的温度计。主要介绍石英温度计。 石英晶体

54、产生振荡时，周围环境温度有微小的变化都能改变石英晶石英晶体产生振荡时，周围环境温度有微小的变化都能改变石英晶体的振荡频率，因此，可利用石英晶体振荡频率的变化测量温度。在一体的振荡频率，因此，可利用石英晶体振荡频率的变化测量温度。在一般情况下，石英晶体的振荡频率和温度之间的关系为般情况下，石英晶体的振荡频率和温度之间的关系为式中式中 为温度，为温度， 为一次、二次和三次方的温度系数为一次、二次和三次方的温度系数 230 1f tftttt, 当在当在 方式切割石英晶体时，才能使式中的方式切割石英晶体时，才能使式中的 这时关系式变这时关系式变为为LC0 0 1f tft 上式表明石英振子的频率和温

55、度成线性关系。利用这种原理制成了上式表明石英振子的频率和温度成线性关系。利用这种原理制成了石英温度计。石英温度计已被广泛应用于科学研究领域。例如，在热量石英温度计。石英温度计已被广泛应用于科学研究领域。例如，在热量测定方面，对比热、溶解热、反应热以及燃烧热等的精确测定。另外还测定方面，对比热、溶解热、反应热以及燃烧热等的精确测定。另外还可以在海洋研究中测定海水的温度。可以在海洋研究中测定海水的温度。第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.6 1.5.6 超声测量硬度超声测量硬度 超声测量硬度原理：一端固定的杆件另一端与机械负载相接触，随着超声测量硬度原理：一端固定的杆件另一端与机械负载相接触，

56、随着负载物理状态及性能的变化，杆件自身的振动频率将发生变化，亦即波负载物理状态及性能的变化，杆件自身的振动频率将发生变化，亦即波长发生变化，当杆件自由端不与负载接触时，如左图所示，杆的固定端长发生变化，当杆件自由端不与负载接触时，如左图所示，杆的固定端受到一定的约束力，振动受到阻碍，振幅最小而形成节点，自由端振幅受到一定的约束力，振动受到阻碍，振幅最小而形成节点，自由端振幅最大形成腹点，这时杆的振动变成杆长的最大形成腹点，这时杆的振动变成杆长的 （ 是波长）的振动。是波长）的振动。 当杆的自由端与被测工件接触时，由于工件的硬度不同，杆件的振当杆的自由端与被测工件接触时，由于工件的硬度不同，杆件

57、的振动频率也不相同，所以杆振动波长也将从动频率也不相同，所以杆振动波长也将从 变化到变化到 。如右图所示。如右图所示。1/41/41/2第第1 1章章 超声检测超声检测1.5.6 1.5.6 超声测量硬度超声测量硬度 当杆的自由端与待测材料或工件接触时，材质较软以致压脚全部陷入当杆的自由端与待测材料或工件接触时，材质较软以致压脚全部陷入材料而被压死、成为另外一个固定端，如图所示。材料而被压死、成为另外一个固定端，如图所示。这时自由端的振幅也为零变成第二个节这时自由端的振幅也为零变成第二个节点，振动杆成为一个半波长的振动杆，点，振动杆成为一个半波长的振动杆，其谐振频率约为其谐振频率约为 ，所以，

58、当用超声测，所以，当用超声测量硬度时，杆的振动频率量硬度时，杆的振动频率 依赖于自由依赖于自由端接触负载的轻重，亦即随金刚石压角端接触负载的轻重，亦即随金刚石压角与工件接触松紧程度而变化。与工件接触松紧程度而变化。 2/12 f0f 在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的工件来说，若工件或材料在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的工件来说，若工件或材料的硬度越低，压痕就越大，金刚石压角与工件表面接触的面积也就越大，的硬度越低，压痕就越大，金刚石压角与工件表面接触的面积也就越大，振动杆被压紧的程度相应也就越大，于是，与工件接触端的振幅就越小，振动杆被压紧的程度相应也就越大，于是，与工件接触端的振幅就越小，这时波腹点越靠近原有的固定端，杆件振动的波长就越短，相应振动的这时波腹点越靠近原有的固定端，杆件振动的波长就越短，相应振动的频率就越高；相反，波腹点远离原有固定端，则波长长，频率低，所以，频率就越高；相反，波腹点远离原有固定端，则波长长，频率低，所以，通过