超声波传感器及应用

1、2022-7-71第第9 9章章 超声波传感器及应用超声波传感器及应用 2022-7-72主要章节主要章节n9.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质 n9.2超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术 n9.3超声波传感器的应用超声波传感器的应用 2022-7-73声波频率的界限划分声波频率的界限划分9.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质9.1.1 超声波的基本概念超声波的基本概念 2022-7-74 声波的分类1.次声次声波波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的次声

2、波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。2022-7-752.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。2022-7-763.超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波。波。2022-7-77 超声波与可闻声波不同，超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中的特点。的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器2022-7-78声波的波型声波的波型 n（1）纵波）纵波质点振动方向与波的传播方向一质点振动方向与波的传播方向一致的波。致的波。n（2）横波）横波质点振动方向垂直于传

3、播方向的质点振动方向垂直于传播方向的波。波。n（3）表面波）表面波质点的振动介于横波与纵波之质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。间，沿着表面传播的波。n横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。 2022-7-79纵波2022-7-710横波 2022-7-711表面波2022-7-7122.声速、波长与指向性声速、波长与指向性 n（1）声速）声速n纵波、横波及表面波的传播速度取决于纵波

4、、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗抗 。n介质的声阻抗介质的声阻抗Z等于介质的密度等于介质的密度和声速和声速c的乘积，即的乘积，即nZ=c 2022-7-713常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为度为0） 材材 料料密度密度(103kgm-1)声阻抗声阻抗Z（103MPas -1）纵波声纵波声速速cL（km/ s）横波声横波声速速cs（km/s）钢钢7.8465.93.23铝铝2.7176.323.08铜铜8.9424.72.05有机玻璃有机玻璃1.183.22.731.43甘油甘油1.2

5、62.41.92水（水（20）1.01.481.48油油0.91.281.4空气空气0.00130.00040.342022-7-714（2）波长）波长n超声波的波长超声波的波长与频率与频率f 乘积恒等于声速乘积恒等于声速c，即，即n f =c 2022-7-715（3）指向性）指向性n超声波声源发出的超声波束以一定的角超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。的增大而减小。 1超声源超声源 2轴线轴线 3指向角指向角 4等强度线等强度线2022-7-7

6、16n指向角指向角与超声源的直径与超声源的直径D、以及波长、以及波长之间的关系为之间的关系为nsin= 1.22/D n设超声源的直径设超声源的直径D=20mm，射入钢板的，射入钢板的超声波（纵波）频率为超声波（纵波）频率为5MHz，则根据，则根据上式可得上式可得=4，可见该超声波的指向，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。性是十分尖锐的。2022-7-7173.超声波的反射和折射超声波的反射和折射 n超声波从一种介质传播到另一介质，在超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射回原介质，叫做反射波，另一

7、部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波。这样的两种情况分别称则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射，之为声波的反射和折射， 2022-7-718波的反射和折射波的反射和折射 2022-7-719n（1）反射定律）反射定律n入射角入射角 的正弦与反射角的正弦与反射角 的正弦之比等于波的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角相等时，入射角 等于反射角等于反射角 。n（2）折射定律）折射定律n入射角入射角 的正弦与折射角的正弦与折射角 的正弦之比等于超的正弦之比等于

8、超声波在入射波所处介质的波速声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中与在折射波中介质的波速介质的波速c2之比，即之比，即nsin / sin = c1 / c2 2022-7-7204.超声波的衰减超声波的衰减 n超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。散射及吸收等因素有关。 n在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。n散

9、射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。中的悬浮粒子使声波散射。n吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。后造成的，介质吸收声能并转换为热能。 2022-7-7219.2.1 超声波探头超声波探头 n工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式式 n其结构不同，超声波探头又分为直探头、其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头、冲水探头

10、、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，头以及其他专用探头等， 9.2超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术2022-7-722各种超声波探头常用频率范围：常用频率范围：0.50.510MHz10MHz，常见晶片直径：常见晶片直径：5 530mm30mm接触式直探头接触式直探头（纵波垂直入射（纵波垂直入射到被检介质）到被检介质） 外壳用金属制外壳用金属制作，保护膜用硬度作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止压电晶片作，防止压电晶片磨损。磨损。 保护膜保护膜接插件接插件2022-7-723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，利用的超声电

11、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。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。荷和电压。2022-7-7241.单晶直探头单晶直探头 n用于固体介质的单晶直探头（俗称直探用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头），压电晶片采用头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化止压电晶

12、片磨损。保护膜可以用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用钨粉、环氧树脂等浇注。钨粉、环氧树脂等浇注。2022-7-725 超声波探头结构示意超声波探头结构示意 1接插件接插件 2外壳外壳 3阻尼吸收块阻尼吸收块 4引线引线 5压电晶体压电晶体 6保护膜保护膜7隔离层隔离层 8延迟块延迟块 9有机玻璃斜楔块有机玻璃斜楔块 10试件试件 11耦合剂耦合剂202

13、2-7-726n超声波的发射和接收虽然均是利用同一超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。电子开关来切换这两种不同的状态。 2022-7-7272.双晶直探头双晶直探头 n由两个单晶探头组合而成，装配在同一由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以片吸声性能强、绝缘性能好的薄

14、片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。n双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。射和接收的控制电路较单晶直探头简单。 2022-7-728各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70 2022-7-729 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，当斜楔块与不同材等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测

15、介质（试件）接触时，超声波将产生一料的被测介质（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。次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件3.斜探头斜探头 2022-7-730各种接触式斜探头常用频率范围：15MHz2022-7-731接触式双晶斜探头2022-7-7324.聚焦探头聚焦探头 n分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。探头。n聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超聚焦探头采

16、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声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能。加工，也可具有聚焦功能。 2022-7-7335.箔式探头箔式探头 n利用压电材料聚偏二氟乙烯（利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得式探头，可以获得0.2mm直径的超细声直径的超细声束，用在

17、医用束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。高清晰度的图像。2022-7-7346.空气传导型探头空气传导型探头 n超声探头的发射换能器和接收换能器一超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，般是分开设置的，两者结构也略有不同， n发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围的

18、超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。可达几米至几十米。2022-7-735空气传导型超声发生、接收器结构示意图空气传导型超声发生、接收器结构示意图 1外壳外壳 2金属丝网罩金属丝网罩 3锥形共振盘锥形共振盘 4压电晶体片压电晶体片5引脚引脚 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7超声波束超声波束2022-7-736空气超声探头 2022-7-737空气超声探头外形2022-7-738空气超声探头外形2022-7-7399.2.2 超声波探头耦合剂超声波探头耦合剂 n一般不能直接将其放在被测介质（特别一般不能直接将其放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。是粗糙金属）表面来回移动

19、，以防磨损。 n空气的密度很小，将引起空气的密度很小，将引起3个界面间强烈个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。将对超声波造成很大的衰减。 n常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。应尽量薄一些，以减小耦合损耗。2022-7-740耦合剂 2022-7-7419.3超声波传感器的应用超声波传感器的应用n超声波测厚常用脉冲回波法。超声波测厚常用脉冲回波法。 n超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产超声波

20、探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速声速是已知的，设工件厚度为是已知的，设工件厚度为，脉冲波从发，脉冲波从发射到接收的时间间隔射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出可以测量，因此可求出工件厚度为工件厚度为n=t/2 1超声波测厚超声波测厚 2022-7-742脉冲回波法测厚工

21、作原理脉冲回波法测厚工作原理 从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔出时间间隔t。也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔间隔t，从而做成厚度数字显示仪表。，从而做成厚度数字显示仪表。 2022-7-7432.超声波物位传感器超声波物位传感器 n超声波物位传感器是利用超声波在两种超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔能器接收到反

22、射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。用这种方法可以对物位进行测量。 2022-7-744几种超声物位传感器的结构示意图几种超声物位传感器的结构示意图 hh2a2ahhss(a)(b)2022-7-745结论结论n只要测得超声波脉冲从发射到接收的间只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间，便可以求得待测的物位，超声隔时间，便可以求得待测的物位，超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点特点n若液体中有气泡或液面发生波动，便会若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。有较大的

23、误差。n在一般使用条件下，它的测量误差为在一般使用条件下，它的测量误差为0.1%，检测物位的范围为，检测物位的范围为102104m。 2022-7-7463.超声波流量传感器超声波流量传感器 n测定原理目前应用较广的主要是超声波测定原理目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。传输时间差法。n超声波在流体中传输时，在静止流体和超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流管道流体的截面积，便可知道流体的流量。量。 2022-7-747实际应用实际应用 n超声波传感器安装在管道的外部，从管超声波传感器安装在管道的