超声波传感器（苍松书屋）

1、超声波传感器 本章主要学习超声波的物理特性，着重了解超声波在检测技术中的一些应用，也涉及无损探伤的设备及方法。1凌云书屋概述： 声波的分类1.次声波 次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。2凌云书屋2.可闻声波(2020000HZ） 美妙的音乐可使人陶醉。3凌云书屋3.超声波大于20000HZ 蝙蝠能发出和听见超声波。4凌云书屋蝙蝠依靠超声波捕食5凌云书屋 超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波加湿器6凌云书屋 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到

2、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。 超声波塑料焊接机7凌云书屋超声波金丝焊接机8凌云书屋 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9凌云书屋超声波在医学检查中的应用 胎儿的 B超影像10凌云书屋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，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。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

3、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，这种现象被称之为“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。11凌云书屋超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器气泡波浪清洗物12凌云书屋第一节 超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。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，能产生明显的反射和折射现象，超声波

4、的频率越高，其声场指向性就愈好。13凌云书屋超声波的波型分类 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 14凌云书屋纵波15凌云书屋横波 16凌云书屋表面波17凌云书屋第二节 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、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。 18凌云书屋各种超声波探头 （以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm接触式直探头（纵波垂直

5、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19凌云书屋接触式 直探头原理超声脉冲电压输入端 接地端20凌云书屋接触式斜探头（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30、45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。底部耐磨材料接插件21凌云书屋各种接触式斜探头常用频率范围：15MHz22凌云书屋接触法双晶直探头 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

6、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，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。 发射晶片接收晶片23凌云书屋各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70 24凌云书屋接触法双晶斜探头（续）25凌云书屋 水浸探头（可用自来水作为耦合剂） 选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。26凌云书屋聚焦探头 由于超声波的波长很短（毫米数量级），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1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也

7、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。 27凌云书屋聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头28凌云书屋超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏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。29凌云书屋压电陶瓷的主要性能指标 1) 介电常数 ：10006000 2) 压电灵敏度D33 ：300600pC/N 3) 机械品质因素Q：1002000 4) 居里温度：300400 C 5）静电容：1000 100000pF（与面积

8、有关） 6）频率范围： 用于超声清洗：30100KHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：12MHz30凌云书屋耦合剂 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液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。 31凌云书屋空气超声探头 a） 超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6

9、阻抗匹配器 7超声波束 32凌云书屋空气超声探头（续） 33凌云书屋空气超声探头外形34凌云书屋空气超声探头外形（续）35凌云书屋空气传导超声波电脉冲发生器36凌云书屋第三节 超声波传感器的应用 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反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 37凌云书屋超声波传感器应用举例 38凌云书屋超声波传感器应用举例（续） 39凌云书屋超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测40凌云书屋叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）41

10、凌云书屋超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测42凌云书屋超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制43凌云书屋机械手定位超声波传感器应用举例（续）44凌云书屋纸卷直径检测超声波传感器应用举例（续）45凌云书屋平整度测量超声波传感器应用举例（续）46凌云书屋超长距离检测超声波传感器应用举例（续）47凌云书屋流水线计数超声波传感器应用举例（续）48凌云书屋一、超声波流量计 F1发射的超声波先到达 T149凌云书屋测量流量原理分类 时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2

11、的超声波是逆流传播的。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t，可得到流体的平均速度及流量。 50凌云书屋F1发射的超声波到达 F2的时间较短51凌云书屋 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F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频

12、率f 2的频率差 f与被测流速v成正比 。F2F152凌云书屋 发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧53凌云书屋同侧式超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料）54凌云书屋超声波流量计现场使用55凌云书屋超声波多普勒测量车速56凌云书屋多普勒效应 前进方向的频率升高 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 就可得到运动速度。57凌云书屋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58凌云书屋超声波测距 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收。测出从发射超声波脉冲到

13、接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。 59凌云书屋超声波测厚 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t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度 ： 60凌云书屋手持式超声波测厚仪61凌云书屋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） 显示方法128*32 LCD 点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000 9999m/s 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时 使用温度：-10C 40C 存储温度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池）62凌云书屋超声波测厚石料测厚63凌云书屋超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴 木料测厚64凌云书屋双晶超声波测厚探头65凌云书屋双晶超声波测厚探头（续）66凌云书屋超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导型超