第8章 超声波传感器

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各种超声波探头
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保护膜
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。
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接插件
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接触式 直探头原理
超声脉冲电压
输入端
接地端
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一个实心的物体遭受撞击时，可以测出两种波， 一种是纵波，一种是表面波，而空心的物体只 能测到表面波。“纵波”是一种穿透波，可以 穿透物体，由表面的一边经过物体中心传导到 另一边。“表面波”如同它的名字一样，只能 在极浅的表面传递。但是，放置在月球上的月 震仪，经过长时间的记录，都没有记录到纵波， 全部都是表面波。根据这个现象，科学家非常 惊讶地发现：月球是空心的！
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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
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接触法双晶斜探头（续）
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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。
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地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及 板块内部产生错动和破裂，是引起地面震动（即地震） 的主要原因
据统计，地球上每年约发生500多万次地震，即每天要发 生上万次地震。
其中绝大多数太小或太远以至于人们感觉不到；
真正能对人类造成严重危害的地震大约有一二十次；
能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。
三维超声工作站能打印精美的三维图像报告，特别 是胎儿的图像，是孩子的第一张照片，有极高的纪 念意义，可以是医院经济效益创收的一种手段。
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三维超声医学影像工作站特点：
1.只需一根视频线进行连接，不影响原有B超的任何功能。
2. 三维成像速度快，三维影像扫描时间为4～5秒，成像时间小 于1秒。
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二、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。
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空气超声探头
1—外壳
5—引脚
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a） 超声发射器 b）超声接收器
2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片
6—阻抗匹配器 7—超声波束
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空气超声探头（续）
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空气超声探头外形
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空气超声探头外形（续）
空气传导超声波电脉冲发生器
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超声波清洗原理及清洗器
波浪
气泡
清洗物
超声换能器
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一、超声波物理基础
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。
用于超声清洗：30~100KHz 用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz 用于雾化器：1~2MHz
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耦合剂
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。
这次海震所击起的海浪，据测它的行进速度为每小 时788.557公里
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世界上有仪器记录的最大地震：
1960年5月22日19时11分，智利地震（8.9 级，因计算方法不同，也有9.5级的说法） [40] 。
世界最典型的城市“直下型地震”：
1976年的中国唐山地震和2019年的日本阪 神地震
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表面波
所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电 场的现象。具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹 性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。由于这种声 波只在晶体表面传播，故称为声表面波。
声表面波SAW（SurfaceAcousticWave）就是在压电基片材料表面产生和传播、 且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。
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世界上第一次成功地预报并取得明显减灾实效的地 震：
1975年2月4日，海城地震（中国的地震工作者成功 地预报，被世界科技界称为“地震科学史上的奇 迹”）
世界上最大的地震海啸：
1971年4月24日发生在日本琉球群岛中的石垣岛 （估计巨大海浪的波峰高达84.7米，排山倒海的巨 浪将重量达850吨的整珊瑚礁抛出2.092公里以上。
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地震：动物的先兆
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是否有科学道理？你信吗？
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李善邦研制的中 国第一台现代地 震仪器，1939年
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张衡地动仪 复原模型：50年
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。
纵波是指震动方向与传播方向相同的波
纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。如敲锣时，锣的振动方向与波的传 播方向就是一致的，声波是纵波。
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纵 波
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横波
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地震
地震：是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产 生地震波的一种自然现象。
9.可进行资料存档，供您随时调用、分析。
10. 图文一体化的报告。
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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。
度 2019-2019
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古今中外地震死亡人口之最：
大约1201年7月，近东和地中海东部地区的所有城市 都遭地震破坏，死人最多, 估算约达110万。
1556年1月23日发生在中国陕西华县的8.0级地震造 成的死亡人数比前者确凿一些，广大灾民病死、饿死， 数百里山乡断了人烟，估计死亡83万余
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三、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。
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超声波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。当超声交变电荷和电压。
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压电陶瓷的主要性能指标
1) 介电常数 ：1000~6000 2) 压电灵敏度D33 ：300~600pC/N 3) 机械品质因素Q：100~2000 4) 居里温度：300~400 C 5）静电容：1000 ~ 100000pF（与面积有关） 6）频率范围：
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超声波金丝 焊接机
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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。
便携式超声波 探鱼器
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工作原理： 传感器探头发射超声波信号，遇到水底或
鱼群会反射回信号，然后检测反射信号，处理数据， 得出水底深度、鱼所在水层。
常用频率范围：1~5MHz
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接触法双晶直探头
发射晶片 接收晶片
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 射和接收的控制电路较单 晶直探头简单。
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岸钓中的横扫描
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探鱼器在冰钓中的使用
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探鱼器在船钓中的使用
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超声波在医学检查 中的应用
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胎儿的 B超影像
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三维B超医学影像工作站
三维超声医学影像工作站
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蝙蝠依靠超声波捕食
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超声波与可听声波不 同，它可以被聚焦，具有 能量集中的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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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
次声波是频率低于20Hz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。
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2.可听声波 (20HZ-20KHZ)
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波 >20KHZ
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
接插件 底部耐磨材料
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。
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各种接触式斜探头
超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。
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超声波的波型分类
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面 波等几种。
横波是指震动方向与传播方向相垂直的波
横波是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。可以这样理解，如果我们手拿平 铺在地上的绳子的一端，并上下抖动(振动)绳子，这时形成的波，呈水平方向向 前传播。振动方向垂直于地面，而且传播方向水平向前，这就是横波。
是由三维超声图像处理软件、计算机、高速图像采 集卡、彩色打印机等组成，在普通B超扫描成像的基 础上，形成三维影像并可进行影像存储、回放及形 成诊断报告等功能的装置。
三维超声成像能单独显示感兴趣结构的立体形态和 内部结构，它可使医师获得更多的组织信息，以作 出更全面、更准确的分析。具有很高的临床和研究 价值。
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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。
第8章 超声波传感器
主要学习超声波的物理特 性，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。
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目录
概述 一、超声波物理基础 二、超声波换能器及耦合技术 三、超声波传感器的应用 四、超声波无损探伤
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概述： 声波的分类 1.次声波
3. 图像清晰，能清晰显示胎儿的体态、五官、脸形、四肢等， 便于诊断胎儿畸形。
4.可在三维图像中提取任一剖面、方位、角度进行分析。
5.可方便地去除多余组织图像，突出感兴趣区。
6.可对图像进行放大、缩小、图片反转、角度变换等处。
7. 图像有多达4种颜色变换以供选择。
8.超声专业术语数据库，方便行成诊断报告。