第七章超声波传感器

第七章超声波传感器章节导入：高电压窄脉冲作用于某些晶体时产生超声波，可以聚焦。而做成探测器或其他用途。本章要点：1、了解超声波传感器的结构及工作原理2、超声波换能器及耦合技术3、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。3/12/20241次声波

声波的分类声波

超声波

声波是机械波，振动频率为20Hz—20KHz。1、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，7~8Hz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。概述：3/12/202422.可闻声波：频率20Hz—20KHz。3/12/202433.超声波：频率高于20KHz

蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食3/12/202442、超声波应用举例

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3/12/20245

压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，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3/12/20246超声波在医学检查中的应用

胎儿的

B超影像3/12/20247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。3/12/20248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3/12/20249第一节超声波传感器的结构及工作原理

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，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。3/12/202410目前市场销售的超声波传感器有两种形式：专用型、兼用型产品通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。超声波传感器有发射、接收两部分发射元件—利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波。接收元件—利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号。一、超声波的传感器的工作原理3/12/202411

利用压电效应的原理制成，是利用了压电的可逆效应即施加40KHz高频电压，压电片根据所加的高频电压极性伸长或缩短，于是发射频率是40KHz的超声波，利用了压电的逆压电效应。经被测物反射后接收器接受，再利用压电材料的压电效应，转换成电荷，经测量转换电路，记录或显示结果。典型外形及符号3/12/202412结构：超声发射器超声接收器发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高方向性。接收器在共振盘上安装了阻抗匹配器以滤除噪声，提高效率。二、超声波传感器的结构3/12/202413以空气为传导介质的超声传感器结构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—阻抗匹配器7—超声波束以空气为传导介质的超声传感器结构

3/12/202414

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。

三、超声波探头3/12/202415（一）以固体为传导介质的超声探头

a单晶直探头b双晶直探头c斜探头3/12/202416常用频率范围：0.5~10MHz常见晶片直径：5~30mm1、接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）

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3/12/202417双晶直探头与单晶直探头的区别是：结构：由两个直探头组合而成，一个晶片是发射超声波，另一个晶片接受超声波，两晶片间有隔离系统，发射和接受互不影响。延迟块可以减少盲区，提高分辨能力。优点：虽然结构比单晶直探头复杂，检测精度高。控制电路简单。2、双晶直探头3/12/202418接触法双晶直探头

结构：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强、绝缘性能好的薄片加以隔离。优点：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3/12/202419各种双晶直探头

焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

3/12/2024203、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3/12/202421各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz3/12/202422双晶斜探头3/12/202423

4、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。3/12/2024245、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。

3/12/202425聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头3/12/2024266、箔式探头

第七章压电式传感器介绍过利用PVDF高分子薄膜，制作出薄膜式探头，可以获得0.2mm的超细声，用在医用CT诊断仪器上获得高清晰图像。3/12/202427（二）以空气为传导介质的超声探头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—阻抗匹配器7—超声波束

3/12/202428空气超声探头

3/12/202429空气超声探头外形3/12/202430空气传导超声波电脉冲发生器3/12/202431四、耦合剂

1、探头不能直接放在被测介质中，以防磨损。

2、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。水式探头是指耦合剂。

3/12/202432耦合剂3/12/202433第二节超声波传感器的特性

1、频率特性：

发射与接受的灵敏度都以中心频率向两边逐渐降低在使用中，一定用接近中心频率的交流电压来驱动超声波发生器。产品通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。2、超声波传感器的指向性：

频率越高，指向角越小，越适合检测。3、超声波传感器的温度特性：一般说温度越高，中心频率、灵敏度、输出声压电平越低。宽范围环境温度使用时，需温度补偿。4、超声波传感器的阻频特性：

如果负载阻抗很大，频率特性尖锐谐振，这个频率点灵敏度最高，在使用时，应与输入阻抗较大的前置放大器结合。3/12/202434C’CLR等效电路

超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中频率低的fr：L、C、R产生的串联谐振频率；频率高的fa：L、C、C’产生的并联谐振频率超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。超声波传感器的等效电路3/12/202435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。

3/12/202436

超声波传感器使用时的两种形式：反射式、直射式b)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸ兼用型ＴＸＲＸ

a)直射式发射探头（TX）接收探头（RX）超声波传感器的工作方式:兼用型3/12/202437一、流量计1、时间差法

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。从下式看出，与声速有关所以受温漂影响

3/12/202438超声波时间差法测流量演示dF1F2T2T1此安装方法方法为透射式3/12/202439一、超声波流量计

F1发射的超声波先到达

T13/12/202440F1发射的超声波到达

F2的时间较短3/12/202441

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧3/12/2024422、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与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。

结论：频率变化与声速c无关，所以温漂影响较小。3/12/202443

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧F1F2此安装方法方法为反射式3/12/2024443、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）3/12/202445超声波多普勒测量车速多普勒效应

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。3/12/202446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3/12/202447二、超声波测厚

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。3/12/202448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

：

3/12/202449超声波测厚石料测厚

3/12/202450超长距离检测

3/12/202451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*32LCD点阵液晶显示（带背光）

显示位数：四位

测量范围：0.8~200mm

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：-10°C~40°C

存储温度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含电池）3/12/202452纸卷直径检测3/12/202453叠放高度测量3/12/202454透明塑料张力控制3/12/202455超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚3/12/202456双晶超声波测厚探头3/12/202457三、超声波传感器在线测量质量检查紧固件的安装错误检测3/12/202458物件放置错误检测

3/12/202459机械手定位3/12/202460流水线计数3/12/202461四、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声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。

3/12/202462超声波液位计原理

1—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关

3/12/202463超声波液位计举例：

从前图超声波液位计的显示屏上测得t0=1.5ms，th1=6.0ms，已知水底与超声探头间距h0为10m，反射小板与探头的间距h0为0.5m，求液位h

解：

液位高度为：h=h2-h1=10-20=8M3/12/202464超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器3/12/202465五、超声防盗报警器

图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率

f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移

f。3/12/202466第四节无损探伤

一、无损探伤的基本概念人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。

路轨断裂事故3/12/202467二、无损探伤的方法

对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法：铁磁材料采用磁粉检测法导电材料采用电涡流法非导电材料采用荧光染色渗透法

放射线（x光、中子）照相检测法超声波探伤法

表面探伤内部探伤3/12/2024681、磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪

将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。3/12/2024692、X光探伤

将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷.3/12/202470三、超声波探伤

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹3/12/2024711、超声波探伤分类

（1）A型超声探伤:

A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为反射波强度。可以从二维坐标图上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但较难识别缺陷的性质、类型。（2）B型超声探伤:

B型超声探伤的原理类似于医学上的B超。它将探头的扫描距离作为横坐标，探伤深度作为纵坐标，以屏幕的辉度（亮度）来反映反射波的强度。它可以绘制被测材料的纵截面图形。探头的扫描可以是机械式的，更多的是用计算机来控制一组发射晶片阵列（线阵）来完成与机械式移动探头相似的扫描动作，但扫描速度更快，定位更准确。3/12/202472超声波探伤分类

（3）C型超声探伤:

目前发展最快的是C型探伤，它类似于医学上的CT扫描原理。计算机控制探头中的三维晶片阵列（面阵），使探头在材料的纵、深方向上扫描，因此可绘制出材料内部缺陷的横截面图，这个横截面与扫描声束相垂直。横截面图上各点的反射波强通过相对应的几十种颜色，在计算机的高分辨率彩色显示器上显示出来。经过复杂的算法，可以得到缺陷的立体图像和每一个断面的切片图像。3/12/202473B型超声探伤—超声波在医学检查中的应用

胎儿的

B超影像3/12/202474计算机断层成像技术(CT)探伤