超声波检测技术

超声波检测技术

主要内容:●超声波检测的基本知识●超声波换能器●超声无损检测●超声波物位计●超声波流量计●超声波测厚仪

一、超声波检测的基本知识

1.超声波及其特点

声波是一种能在气体、液体和固体中传输的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。频率高于20KHz的波称为超声波.声波的频率界限

特点：（1）能以各式各样的传播模式（纵波，横波、表面波，薄板波）在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效手段。（2）由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以，反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态。

超声检测技术的基本原理利用某种待测的非声量（如密度，浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度，缺陷等）与某些描述媒质声学特性的物理量（如声速、声阻抗、衰减等）之间存在着的直接或间接的关系，在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。

2.超声波的类型

超声波在介质中传播的波型取决于介质本身的固有特性和边界条件，对于流体介质（空气、水等），当超声波传播时，在介质中只有拉伸形变而没有切变形变发生，所以只存在超声纵波；在固态介质中，由于切变产生，故还存在超声横波。

纵波、横波、表面波、板波、棒中的波.

当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时，此种超声波为纵波波型。在超声波检测中应用广泛。

当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时，此种超声波为横波波型。钢表面传播的表面波

3.介质的超声传播特性

(1)声速

超声波在介质中传输的速度即介质的声速，用C表示。声速随介质及其状态（如温度）的不同而不同。如在常温下，空气中的声速334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。对于液体介质，只能传播纵波，以CL表示：

除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而减小，而水中的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。

K——

介质的体积弹性模量；

ρ——介质的密度。(2)声阻抗定义为传声介质的密度ρ与声速C的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利（rayl）。超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。对空气，0℃时：Z=428rayl

；

20℃时：Z=415rayl

；对水，20℃时，Z=1.48×106

rayl

；对钢铁，20℃时，Z≈107

rayl

。超声波的反射和折射(3)声衰减超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面：（1）由于波前的扩展而产生的能量损失；（2）超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减；（3）由于介质内耗所产主的吸收衰减。在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律为:p0——距离声源x=0处的声压；I0——距离声源x=0处的声强；α——衰减系数吸收衰减

超声波在介质中传播时，由于介质本身的粘滞性和热传导所引起的声能损耗叫吸收衰减。介质的粘滞效应分为切变粘滞和体积粘滞两种。介质对超声波的总的吸收系数可表达为：

式中η——介质的切变粘滞系数；

η′——介质的体积粘滞系数；

K

——导热系数；

γ——定压比热和定容比热之比；

C——介质的声速。散射衰减

超声波在介质中传播遇到障碍物，当阻碍物的尺寸与超声波长可相比或更小时会产生散射衰减。产生散射衰减的因素很多，总的说来是由于介质阻抗的不连续性造成的。一是材料本身的不均匀;另一种是晶粒尺寸可以与超声波波长相比的粗晶粒材料，入射的超声波在晶界的反射散乱使得声能变为热能而损耗，这叫做晶粒散射。当晶粒的平均直径D与超声波波长λ之比值不同时,散射衰减亦有不同的规律。

超声波在应用时一般使用脉冲波，它具有范围很宽的频谱。因此，总的散射衰减系数为：

二、超声波换能器

超声波换能器又称为超声波探头，是完成超声波发射和接收的关键器件。换能器按能量转换原理，分为磁性换能器和电性换能器。磁性换能器有电动式、电磁式、磁致伸缩式；电性换能器有压电式、电容式、电致伸缩式。在超声检测中，最常用的是压电换能器，其次是磁致伸缩换能器

。

1.压电效应

逆压电效应、正压电效应

2.压电材料和压电换能器

常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等。

压电效应原理(a)晶系排列(b)压缩情况(c)拉伸情况

超声波换能器外形

纵波直探头可以发射和接收纵波，主要由压电晶片、保护模和吸收块组成，另外还有壳体和连接高频电缆的接插件。

几种典型超声波探头结构

1)压电晶片直探头中压电晶片一般为圆形，以厚度振动模式激发纵波，同一晶片兼有发射和接收功能。压电材料选定后，晶片厚度决定了振动频率，频率和厚度的乘积为一常数即频率常数。

2)保护膜为防止压电晶片与被测物直接接触造成的磨损和腐蚀，用一层保护膜覆盖在晶片上。保护膜分两类：一类是硬性保护膜，用不锈钢片、钢玉片或环氧树脂浇铸而成；另一类是软性保护膜，用耐磨橡胶或塑料制成，它可使工件粗糙面有较好的声耦合，但声能损失比硬性保护膜大。3)吸收块

起振后的压电晶片去掉微励后，要经过多次振动才会停止，这会使发射脉冲变宽而降低探头的分辨力。一般采取在压电晶片的负极浇铸吸收块的办法吸收声能量，即增加振动阻尼，因此也就把吸收块称为阻尼块。吸收块作为支撑晶片的背衬材料，主要用来吸收向背面发射的声波。

选用吸收块材料的原则是：吸收块和压电晶片之间的声耦合匹配要好；材料的吸收系数要大。通常是在环氧树脂中加入钨粉和固化剂制成吸收块，使声能进入吸收块后被散射而消耗掉。3．超声换能器的分类按产生的波型分：纵波直探头，横波斜探头，表面波探头，板波探头。按接触方式分：直接接触探头，水浸探头。按检测用途分：分割式联合双探头，聚焦探头，可变角探头，专用探头等。按探头的频带宽度分：通用型，宽频带型，密封型，高频型。1）通用型：超声波换能器频带宽一般可达数千赫，并有对频率的选择性。频率特性

(a)MA40A3S(b)MA40A3R(2)宽频带型：宽频带型超声波换能器（如MA23L3）能在工作频带内有两个共振点，因而加宽了频带，在很宽的频带范围内，具有较高的灵敏度。

MA23L3的频率特性3）密封型：密封型超声波换能器（如MA40E1R/S）适用于室外环境，有较好的耐风雨性能，可用于汽车后方检测物体的装置等。

MA40E1R/S的频率特性4）高频型：上述各类换能器的中心频率只有数十千赫,

但中心频率高于100KHz的换能器近来也有销售。MA200A1（发送与接收共用）换能器中心频率高达200KHz，可以进行较高分辨率的测量。三、超声波换能器的接口电路1.超声波换能器的驱动电路

数字式超声波振荡电路

采用脉冲变压器的超声波振荡电路

2.超声波换能器接收电路采用运放的超声波接收电路3.超声波换能器接收发送两用电路

收发信号两用电路

四、超声无损检测

1.探伤仪的工作原理A型显示超声波探伤仪方框图

直接接触纵波一次脉冲反射法（a）无缺陷（b）有小缺陷（c）有大缺陷1-探头;2-缺陷;3-工件;4-荧光屏直接接触纵波多次脉冲反射法（a）无缺陷（b）有小缺陷（c）有大于声束直径的缺陷

1-探头；2-缺陷；3-工件五、超声波物位计超声波物位计可以分为两类：定点发信超声波物位计连续测量超声波物位计

超声波液位计超声波液位计是利用回声测距原理进行工作的。分为气介式、液介式及固介式三类，最常用的是气介式和液介式。

如果探头距液面的高度为L，从发射到接收超声波脉冲的时间间隔为t,则可表示为：

式中C

——

超声波在被测介质中的传播速度。由上式可知，如果准确知道介质中声波传播速度C，再能测得时间，就可以准确测量液位高度。

(b)、(d)是双探头式，声波经过的路程是2S，即：

式中a——

两个探测器之间距离之半。

声速校正问题

（1）用校正具校正声速发射的超声波脉冲波形声速校正具

式中C0

——

介质中的实际声速。浮臂式校正具1-浮子；2-浮臂；3-超声探头；4-反射板；5-转轴(2)用固定标记校正声速

固定标记校正原理固定标记及液面的回波

1-超声探头；2-小反射板；3-固定臂回波时间测量

（1）双稳法测时

双稳法测时原理图双稳测时单探头液位计原理框图(2)回鸣测时法这种方法是触发探头发射超声脉冲后经过被测液面反射，当回波回到探头上时，这个回波的前沿又接着触发探头发出第二个超声脉冲，第一个脉冲的前沿和第二个脉冲的前沿中间经过的时间t,如果液位高度不变，就是一个等间距的发射信号。如若进行校正，也和上述过程一样，只是这里距离L0

为已知（假定1米），时间间隔为t0

。如果L0=1米，液位单位选用毫米，则应用1000倍频，得到一系列脉冲，每个脉冲相当于1毫米。在测量段时间t中，可以通过的脉冲数就是以毫米为单位的液位数值。2.超声波料位计

超声波料位计的工作原理是：从粉仓顶部的已知高度L处向料面发射一个超声脉冲波，该波在空气中传播（速度是C=340m/s），遇到料面时反射回来。若能测得声波往返时间t，则由下式就能求得料位高度h值：把高度

h表达式变换一下：设t=1s，则：

用一个17KHz的振荡器，如果门开启1s，则计数器显示17000，每个脉冲代表1cm。假如开门信号是在发射超声脉冲波的同时提供，关门信号由接收到的回波信号提供，那么这时计数器所显示的数值为。再由上式可求得

h值。如果采用减法计数器，先预置数L值，最终显示的数值就是料位h值。脉冲回波法超声波料位计示意图测试原理超声波料位计整机方框图

脉冲回波信号报警单元各环节波形图

六、超声波流量计

超声波流量计的测量原理是多样的，如传播速度变化法、波速偏移法、多普勒效应法、流动听声法等。目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。

传播速度变化法

超声波在流动介质中传播时，其传输速度与在静止介质中的传播速度不同，其变化量与介质流速有关。测得这一变化量就能求得介质的流速，进而求出流量。

设u为介质流速，C为介质静止时声速。顺流中超声波的传播速度为C+u，逆流中超声波的传播速度为C-u

，顺流和逆流之间速度差与介质流速u有关,测得这一差别可求得流速，进而通过计算得到流量值。声波在顺流、逆流中的传播情况

测量速度差的方法,常用的有时间差法、相位差法和频率差法。超声波在管壁间的传播

(1)时间差法设顺流传播时间为t1,

逆流传播时间为t2

式中

D——

管道直径；

τ——超声波在管壁内传播所用的时间。

时间差法超声波流量计原理

时间差法测时波形图

相位差法

如果换能器发射连续超声波或者发射周期较长的脉冲波列，则在顺流和逆流发射时接收到的信号之间就产生了相位差Δφ,Δφ=ω·Δt,Δt就是前面的时间差。相位差法超声波流量计方框图

频率差法

超声换能器向被测介质发射超声脉冲波，经过一段时间此脉冲波被接收并放大，放大了的信号再去触发发射电路，使发射换能器再次向介质发射超声脉冲波，系统形成振荡。设顺流时振荡的频率为f1，逆流时振荡的频率为f2,则：频率差法超声波流量计方框图

超声波流