检测技术与海洋智能仪器：超声传感器

1、9.2 超声波传感器超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在162104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波; 高于2104 Hz的机械波, 称为超声波。 如图所示。 一、 超声波的波形与声速 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同, 声波的波型也不同。通常有: 纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波; 横波质点振动方向垂直于传播方向的波; 表面波质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表面传播的波。 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。 为了测量各种状态下的物理

2、量, 应多采用纵波。 纵波、 横波及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度, 气体中声速为344 m/s, 液体中声速在9001900 m/s。 超声波的反射和折射：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，另一部分透过界面继续传播，这种现象称为声波的反射和折射。超声波的衰减：超声在一种介质中传播时，其声压和声强按指数函数规律衰减。超声波的干涉：同一种介质，频率相同，振动方向相同。两列及以上的声波，会产生波的干涉现象。9.2.2 超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。 超声波探头按其工作原理可分

3、为压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等, 而以压电式最为常用。 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 超声波探头结构如图所示, 主要由压电晶片、 吸收块（阻尼块）、 保护膜组成。压电晶片多为圆板形, 厚度为。 超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层, 作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质, 吸收声能量。如果没有阻尼块, 当激励的电脉冲信号停止时, 晶

4、片将会继续振荡, 加长超声波的脉冲宽度, 使分辨率变差。 9.2.3 超声波传感器的应用 一、 超声波物位传感器 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。 如果从发射超声脉冲开始, 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。根据发射和接收换能器的功能, 传感器又可分为单换能器和双换能器。 单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器, 而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。 式中: h换能器距液面的距离; v超声波在介质中传播的速度。 对于双换能器来说, 超声波从发射到被接收经过的路程

5、为2s, 而 s = （10 - 6）因此液位高度为 h = （s2-a2）1/2 （10 - 7）式中: s超声波反射点到换能器的距离; a两换能器间距之半。二、 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的, 但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。 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, 便可知道流体的流量。 如果在流体中设置两个超声波传感器, 它们可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。如图5所示。如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t

6、2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为v, 则 t1 = t2 = 一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度, 那么超声波传播时间差为 t=t2-t1= （10 - 10）由于cv, 从上式便可得到流体的流速, 即 v = （10 - 11） 在实际应用中, 超声波传感器安装在管道的外部, 从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响, 如图6所示。 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点, 可测流体种类很多, 不论是非导电的流体、 高粘度的流体、浆状流体, 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水

7、等进行测量。 还可用于下水道、农业灌溉、 河流等流速的测量。 超声波探伤超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损检测方法。它主要用于检测金属材料和部分非金属材料的内部缺陷。超声波探伤具有成本低、操作方便、检测厚度大、对人和环境无害等突出优点，但也存在诸如探伤不直观、难以确定缺陷的性质、评定结果在很大程度上受操作者技术水平和经验的影响及不能给出永久性记录等缺点。 超声波无损探伤超声波脉冲是用压电元件产生的纵波、横波、表面波或平面波，用其检测金属材料的物理性质（速度或衰减），从而达到检测金属材料的内部裂纹或气泡等缺陷的目的。超声波无损探伤只针对钢铁、铝合金、铜合金、塑料、陶瓷等材料。频率范围1-10MHz，主要采用超声波脉冲冲击法，激励压电元件如压电陶瓷等。探伤原理超声波脉冲（通常为1.5MHz）从探头射入被检测物体，如果其内部有缺陷，缺陷与材料之间便存在界面，则一部分入射的超声波在缺陷处被