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1、10.1 超声波及其物理性质 10.2 超声波传感器 10.3 超声波传感器的应用,第10章 超声波传感器,返回主目录,第10章 超声波传感器,10.1 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10 - 1。 当超声波由一种介质入射到另一种介质时, 由于在两种介质中传播速度不同, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 ,一、 超声波的波形及其转换 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

2、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。 ,当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。 二、 超声波的反射和折射 声波从一种介

3、质传播到另一种介质, 在两个介质的分界面上一部分声波被反射， 另一部分透射过界面, 在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射, 如图10 - 2所示。,由物理学知, 当波在界面上产生反射时, 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时, 入射角的正弦与折射角的正弦之比, 等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比, 即,三、 超声波的衰减 声波在介质中传播时, 随着传播距离的增加, 能量逐渐衰减, 其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。 其声压和声强的衰减规律为 Px= P0e-x （10 - 2） Ix= I0e

4、-2x （10 - 3）,式中:Px、Ix距声源x处的声压和声强; x声波与声源间的距离; 衰减系数, 单位为Np/m（奈培/米）。 声波在介质中传播时, 能量的衰减决定于声波的扩散、 散射和吸收, 在理想介质中,声波的衰减仅来自于声波的扩散, 即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的, 介质吸收声能并转换为热能。,10.2 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为压电式、 磁致伸缩式、 电磁

5、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10 - 3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, 晶片将会继续振荡,

6、 加长超声波的脉冲宽度, 使分辨率变差。,10.3 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。 ,图10 - 4给出了几种超声物位传感器的结构示意图。 超声波发射和接收换能器可设置水中, 让超声波在液体中传播。 由于超声波在液

7、体中衰减比较小, 所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方, 让超声波在空气中传播, 这种方式便于安装和维修, 但超声波在空气中的衰减比较厉害。 对于单换能器来说, 超声波从发射到液面, 又从液面反射到换能器的时间为,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。,从以上公式中可以看出, 只要测得超声波脉冲从发射到接收的间

8、隔时间, 便可以求得待测的物位。 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点, 但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下, 它的测量误差为0.1%, 检测物位的范围为10-2104 m。 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, 如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。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

9、, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。如图10 - 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t2, 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 = （10 - 8） t2 = （10 - 9） 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10 - 6所示。,超声波流量传感器具有不阻

10、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、农业用水等进行测量。 还可用于下水道、农业灌溉、 河流等流速的测量。 ,蝙蝠依靠超声波捕食,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,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,超声波金丝焊接机,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

11、携式超声波探鱼器,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 B超影像,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。,超声波清

12、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,横波,表面波,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。,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，

13、防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,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,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,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

14、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,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,接触法双晶斜探头（续）,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。,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。,聚焦探头原理及外形,水浸聚焦探头,超声波

15、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。,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：12MHz,耦合剂,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面

16、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。,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阻抗匹配器 7超声波束,空气超声探头（续）,空气超声探头外形,空气超声探头外形（续）,空气传导超声波电脉冲发生器,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

17、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。,超声波传感器应用举例,超声波传感器应用举例（续）,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,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,超声波传感器应用举例（续）,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,超长距离检测,超声波传感器应用举例（续）,流水线计数,超声波传感器应用举例（续）

18、,一、超声波流量计,F1发射的超声波先到达 T1,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。,F1发射的超声波到达 F2的时间较短,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，

19、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f 2的频率差 f与被测流速v成正比 。,F2,F1,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,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）,超声波流量计现场使用,超声波多普勒测量车速,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。,超声波多普勒测量风速,风,风引

20、起超声波的频率变大或变小,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。,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 ：,手持式超声波测厚仪,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）

21、,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）,超声波测厚,石料测厚,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,双晶超声波测厚探头,双晶超声波测厚探头（续）,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

22、液体的液面。,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,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,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。,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,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。 无损检测的方法有磁粉检测法、电