第七章超声波传感器

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各种接触式斜探头
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。
第七章超声波传感器
第七章 超声波传感器
本章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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概述： 声波的分类 1.次声波
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。
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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。
超声波塑料 焊接机
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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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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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超声波用于高效清洗
超声脉冲电压
输入端
接地端
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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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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）
气泡
清洗物
波浪
超声换能器
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第一节 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，超声波的频率越高， 其声场指向性就愈好。
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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：0.5~10MHz， 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
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。
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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。
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纵 波
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横波
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表面波
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第二节 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。
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。
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聚焦探头原理及外形
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水浸聚焦Biblioteka Baidu头
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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。
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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：
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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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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聚焦探头
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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蝙蝠依靠超声波捕食
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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。
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超声波加湿器
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。