《传感器技术及应用》课件-项目十一 新型传感器（二）

开封大学PAGEPAGE6项目十一新型传感器（二）课题：超声波传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：20教材分析难点：无损探伤重点：超声波传感器的应用教学目的和要求1、了解超声波的基础知识；2、掌握纵波探伤的简单计算；4、了解无损探伤的原理。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种超声波传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将超声波换能器浸入透明的杯子中，可以看到水受到强烈的振动，形成喷泉和水雾。结论：超声波的方向性强，能量集中。一、超声波物理基础声波是一种机械波。当它的振动频率在20Hz～20kHz的范围内时，可为人耳所感觉，称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波，但许多动物却能感受到。比如地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。1.超声波的特点超声波的指向性好，不易发散，能量集中，因此穿透本领大，在穿透几米厚的钢板后，能量损失不大。超声波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，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就愈好，与光波的反射、折射特性就越接近。2.声速与指向性表10-1常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃）材料密度ρ声阻抗z纵波声速cL横波声速cS/103kg·m-1/10MPa·s-1/km·s-1/km·s-1钢7.8465.93.23铝2.7176.33.1铜8.9424.72.1有机玻璃1.183.22.71.2甘油1.262.41.9水（20℃）1.01.481.48油0.91.281.4空气0.00120.00040.343.声波的传播方式（1）纵波质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称压缩波。（2）横波质点的振动方向与波的传播方向相垂直，这种波称为横波，它只能在固体中传播。（3）表面波质点在固体表面的平衡位置上下振动，使振动波沿固体的表面向前传播，这种波称为表面波。二、超声波换能器及耦合技术超声波换能器有时又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，常用超声波探头结构如图10-3所示。图10-3超声波探头结构示意图a）单晶直探头b）双晶直探头c）斜探头1－接插件2－外壳3－阻尼吸收块4－引线5－压电晶体6－保护膜7－隔离层8－延迟块9－有机玻璃斜楔块10－耦合剂11－试件一、以固体为传导介质的超声探头（1）单晶直探头用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头）的结构如图10-3a所示。压电晶片PZT压电陶瓷材料（在第六章介绍过）制作。（2）双晶直探头其结构如图10-3b所示。它是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，另一片晶片接收超声波。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。（3）斜探头有时为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头，如图10-3c所示。压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30º、45º等）的有机玻璃斜楔块上。二、以空气为传导介质的超声探头空气传导型超声发生、接收器结构如图10-4所示。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。为获得较高灵敏度，并避开环境噪声干扰，空气超声探头选用40kHz的工作频率。图10-4空气传导型超声发生、接收器结构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3.耦合剂在图10-3中，无论是直探头还是斜探头，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，以防磨损及杂乱反射波造成的干扰和衰减。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“接触层”，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。分析各种场合，使用不同的耦合剂。8）大面积钢板探伤时，耦合剂应选______为宜；机床床身探伤时，耦合剂应选______为宜；给人体做B超时，耦合剂应选______。A．自来水B．机油C．液体石蜡D．化学浆糊三、超声波传感器的应用1．超声波测厚图10-7所示为便携式超声测厚仪示意图，它可用于测量钢及其他金属、有机玻璃、硬塑料等材料的厚度。图10-7超声波测厚a）超声波测厚原理b）超声波测厚仪的使用1－双晶直探头2－引线电缆3－入射波4－反射波5－试件6－测厚显示器设定键从图10-7a可以看到，双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。这样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（扣除经两次延迟的时间），再乘上被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，从而可以求出厚度δ，即（10-1）2．超声波测量液位和物位超声波液位计原理如图10-8所示，在液面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以测出液体的液面。图10-8超声波液位计原理图1－液面2－直管3－空气超声探头4－反射小板5－电子开关为了防止液面晃动影响反射波的接收，可用直管将超声传播路径限定在某一空间内。由于空气中的声速随温度改变会造成温漂，所以在传送路径中还设置了一个反射性良好的小板作标准参照物，以便计算修正。上述方法除了可以测量液位外，也可以测量粉体和粒状体的物位3.超声探伤图10-10A型超声波探伤仪外形a）台式A型探伤仪b）便携式A型探伤仪1－电缆插头座2－工作方式选择3－衰减细调4－衰减粗调5－发射波T6－第一次底反射波B17－第二次底反射波B28－第五次底反射波B59－扫描时间调节10－扫描时间微调11－脉冲X轴位置设定12－报警扬声器13－直探头（1）直探头探伤直探头探伤示意图如图10-11所示。将直探头涂抹耦合剂后，在工件上来回移动。探头发出5MHz左右的超声波，以一定速度向工件内部传播。如工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部便产生反射，反射波到达表面后再次向下反射，周而复始，在荧光屏上出现发射波T和一系列底脉冲B1、B2、B3、…（见图10-10的屏幕显示）。B波的高度与材料对超声波的衰减有关，因此可以用来判断试件的材质、内部晶体粗细等微观缺陷。图10-11直探头探伤示意图a）无缺陷时超声波的反射及显示波形b）有缺陷时超声波的反射及显示波形如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另一小部分继续传播到工件底面产生反射，在荧光屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还出现缺陷脉冲F，如图10-11b所示。荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基线），其长度与工件的厚度成正比（可调整），通过判断缺陷脉冲在荧光屏上的位置（div数乘以扫描时间）可确定缺陷在工件中的深度。通过缺陷脉冲幅度的高低差别可以判断缺陷的大小。如缺陷面积大，则缺陷脉冲F的幅度就高，而B脉冲的幅度就低。通过移动探头还可确定缺陷大致长度和走向。例题：图10-11b中，显示器的X轴为10μs/div（格），现测得B波与T波的距离为10格，F波与T波的距离为3.5格。求：1）tδ及tF；2）钢板的厚度δ以及缺陷与表面的距离xF。解：1）tδ=(10μs/div)×10div=100μs=0.1ms，tF=(10μs/div)×3.5div=35μs=0.035ms2）查表10-1得到纵波在钢板中的声速cL=5.9103m/s，则：δ=tδcL/2=(0.110-3)×(5.9103)m/2≈0.3mxF=tδcF/2=(0.035×10-3)×(5.9103)m/2≈0.1m（2）斜探头探伤斜探头探伤示意图如图10-12所示。在直探头探伤时，当超声波束中心线与缺陷截面垂直时，探测灵敏度最高。但如遇到图10-12所示方向的缺陷时，就不能真实反映缺陷的大小，甚至有可能漏检。这时若用斜探头探测，可提高探伤效率。图10-12斜探头探伤示意图a）横波在试件中的传播b）缺陷回波1－试件2－斜探头3－斜楔块4－斜向缺陷（焊渣或气孔）5－V形焊缝中的焊料如果整块试件均没有大的缺陷，则横波在钢板的上下表面之间逐次反射，直至到达试件的端面为止。所以只要调节显示器的X轴扫描时间（ms/div），就可以很快地将整个试件粗检一遍。在有怀疑的位置，