自动检测技术及应用第七章

空气超声探头
1—外壳 5—引脚
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
空气超声探头（续）
2015/12/6 Sunday
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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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超声波测厚（续）
石料测厚
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超声波手持式测厚
木材测厚
混凝土测厚 小提琴 木料测厚
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双晶超声波测厚探头
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双晶超声波测厚探头（续）
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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。
超声波传感器应用举例
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超声波传感器应用举例（续）
2015/12/6 Sunday
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超声波传感器应用举例（续）
质量检查
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紧固件的安装错误检测
Biblioteka Baidu
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超声波传感器应用举例（续）
叠放高度测量
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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
超声波传感器应用举例（续）
机械手定位
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超声波传感器 应用举例（续）
纸卷直径检测
2015/12/6 Sunday 45
超声波传感器应用举例（续）
平整度测量
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超声波传感器 应用举例（续）
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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
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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
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。
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。
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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各种超声波探头
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
超长距离检测
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超声波传感器 应用举例（续）
流水线计数
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一、超声波流量计
F1发射的超声波先到达 T1
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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。
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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。
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F1发射的超声波到达 F2的时间较短
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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f 2的频率 差 f与被测流速v成正比 。 F
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。
（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。
接插件
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接触式 直探头原理
超声脉冲电压 输入端
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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。
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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 ：
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
2015/12/6 Sunday
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 控制电路简单。
1
F2
发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧
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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）
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超声波流量计现场使用
2015/12/6 Sunday
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超声波流量计 现场使用
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超声波多普勒测量车速
1 ct 2
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7 - 5
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手持式超声波测厚仪
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手持式超声波 测厚仪（续）
2015/12/6 Sunday
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手持式超声波 测厚仪（续）
金属构件 测厚
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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）
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。 在工业中，经常使用耦合剂，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 波浪
清洗物
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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超声波在医学检查 中的应用
胎儿的 B超影像
2015/12/6 Sunday
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超声波用于高效清洗
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。 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。
聚焦探头原理及外形
水浸聚焦探头
2015/12/6 Sunday
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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。
压电陶瓷的主要性能指标
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：0.8~200mm 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）
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
2015/12/6 Sunday
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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。
超声波加湿器
2015/12/6 Sunday
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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。
2015/12/6 Sunday
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超声波液位计原理
根据显示波形计算液位
1—液面 2—直管 3—空气超声探头 2015/12/6 Sunday 4—反射小板 5—电子开关
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2015/12/6 Sunday
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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
不同的风向引起 超声波的频率 变大或变小
2015/12/6 Sunday
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
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超声波金丝 焊接机
2015/12/6 Sunday
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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