超声探头简介

超声探头

句光宇1、超声波传感器工作得原理

1)压电效应

某些晶体材料受到外力作用时,不仅发生变形,而且内

部被极化表面产生电荷;当外力去掉后,又回到原来状态,这

种现象称为压电效应。

在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十

分微弱。随着对材料得深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、

锆钛酸铅等材料就是性能优良得压电材料。

●正压电效应:

?一些晶体结构得材料,当沿着一定方向受到外力作用时,内部产生极化现象,同时在

某两个表面上产生符号相反得电荷;

?而当外力去掉后,又恢复不带电得状态;

?当作用力方向改变时,电荷得极性也随着改变;

?晶体受作用力产生得电荷量与外力得大小成正比,这种机械能转换为电能得现象称

为正压电效应。

●逆压电效应:

?如果给晶体施加以交变电场,晶体本身则产生机械变形,这种现象称为逆压电效应,

又称电致伸缩效应。

?压电效应具有可逆性。

2)石英与压电陶瓷得压电效应机理

压电式超声波传感器(超声波探头)就是利用压电元件得逆压电效应,将高频交变电场转换成高频机械振动而产生超声波(发射探头);再利用正压电效应将超声振动波转换成电信号(接收探头)。发射探头与接收探头结构基本相同,有时可用一个探头完成两种任务。

●石英晶体得压电效应

X轴:电轴或1轴; Y轴:机械轴或2轴; Z轴:光轴或3轴。

◆“纵向压电效应”:沿电轴(X轴)方向得力作用下产生电荷

◆“横向压电效应”:沿机械轴(Y轴)方向得力作用下产生电荷

◆在光轴(Z轴)方向时则不产生压电效应。

?当沿x轴方向加作用力Fx时,则在与x轴垂直得

平面上产生电荷

d11——压电系数(C/N)

?作用力就是沿着y轴方向电荷仍在与x轴垂直得平面

()

?切片上电荷得符号与受力方向得关系

图(a)就是在X轴方向受压力,图(b)就是在X轴方向受拉力,

图(c)就是在Y轴方向受压力,图(d)就是在Y轴方向受拉力。

?切片上电荷得符号与受力方向得关系:

◆正负电荷就是互相平衡得,所以外部没有带电现象。

◆在X轴方向压缩,表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。

◆沿Y轴方向压缩,在A与B表面上分别呈现正电荷与负电荷。

●压电陶瓷得压电效应

?人工制造得多晶体,压电机理与压电晶体不同。

?压电陶瓷得压电效应

压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附得自由电荷示意图

◆自由电荷与陶瓷片内得束缚电荷符合相反而数值相等,它起着屏蔽与抵消陶瓷

片内极化强度对外得作用,因此陶瓷片对外不表现极性。

◆压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行得外力,陶瓷片将产生压缩变形,原来

吸附在极板上得自由电荷,一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后,陶瓷

片恢复原状,片内得正、负电荷之间得距离变大,极化强度也变大,因此电极上

又吸附部分自由电荷而出现充电现象。

◆放电电荷得多少与外力得大小成比例关系

Q ——电荷量; d33 ——压电陶瓷得压电系数;

F ——作用力。

2、决定换能器性能得关键——压电材料

1)压电材料得主要性能参数

?压电应变常数d33:表示在压电晶体上施加单位电压时所产生得应变大小。

◆衡量压电晶体材料发射灵敏度高低得重要参数。其值大,发射性能好,发射灵敏

度高。

?压电电压常数g33:表示作用在压电晶体上单位应力所产生得电压梯度大小。

◆衡量压电晶体材料接收灵敏度高低得重要参数。其值大,接收性能好,接收灵敏

度高。

?介电常数ε

◆当电容器极板距离与面积一定时,介电常数ε愈大,电容C也就愈大,即电容器

所贮电虽就愈多。压电晶体得ε应根据不同用途来选取。超声波探伤用得压电

晶体,频率要求高,ε应小一些。因为ε小,C小,电容器充放电时间短,频率高。

扬声器频率低,ε应大一些。

?机电耦合系数K;表示压电材料机械能(声能)与电能之间得转换效率。

?机械品质因子θm

◆压电晶片在谐振时贮存得机械能E贮与在一个周期内损耗得能量E损之比称为

机械品质因子θm。压电晶片振动损耗得能量主要就是由内摩擦引起得。θm

值对分辨力有较大得影响,θm值大,表示损耗小,晶片持续振动时间长,脉冲

宽度大,分辨力低。反之,θm值小,表示损耗大,脉冲宽度小,分辨力就高。

?频率常数Nt

◆说明压电晶片得厚度与固有频率得乘积就是一个常数,这个常数叫做频率常数,

用Nt表示。晶片厚度一定,频率常数大得晶片材料得固有频率高,厚度愈小。

?居里温度Tc;使压电材料得压电效应消失得温度。

?要求具有与检测介质接近得声阻抗

2)常用压电晶片材料及其特点(性能指标)

●第一类压电材料——压电单晶体;

?压电单晶就是天然形成或人工制成得、具有各向异性得单晶铁电体材料,它具有压

电效应就是基于组成晶体结构得点阵上正负离子相对位置变化引起得。石英就是一

种常见得压电单晶,其介电常数与压电系数得温度稳定性相当好,在常温范围内几乎

不随温度变化。石英晶体得突出优点就是性能非常稳定,机械强度高,绝缘性能也相

当好。但石英材料价格昂贵,且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准

仪器或要求较高得传感器中。

?因为石英就是一种各向异性晶体,因此,按不同方向切割得晶片,其物理性质(如弹

性、压电效应、温度特性等)相差很大。为了在设计石英传感器时,根据不同使用要

求正确地选择石英片得切型。

●第二类压电材料——压电多晶体(压电陶瓷);

?压电陶瓷,一种能够将机械能与电能互相转换得功能陶瓷材料,属于无机非金属材

料。这就是一种具有压电效应得材料。

?压电陶瓷具有很高得压电系数,因此在压电式传感器中应用十分广泛。

?钛酸钡压电陶瓷BaTiO3:钛酸钡就是由碳酸钡与二氧化钛按1:1克分子比例混合后

充分研磨成形,经高温1300～1400oC烧结,然后经人工极化处理得到得压电陶瓷。

这种压电陶瓷具有很高得介电常数与较大得压电系数(约为石英晶体得50倍)。不

足就是居里温度低(120o C),温度稳定性与机械强度不如石英晶体。

?锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅就是由 PbTiO3 与 PbZrO3 组成得固溶体

Pb(Zr、 Ti)O3。它与钛酸钡相比,压电系数更大,居里温度在300oC以上,各项机

电参数受温度影响小,时间稳定性好。

●第三类压电材料——极性高分子压电材料;

?高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物,其压电效应较复杂,不仅要考虑晶格

中均匀得内应变对压电效应得贡献,还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生

得各种高次效应以及同整个体系平均变形无关得电荷位移而表现出来得压电特性。

?目前已发现得压电系数最高、且已进行应用开发得压电高分子材料就是聚偏氟乙烯,

其压电效应可采用类似铁电体得机理来解释。这种聚合物中碳原子得个数为奇数,

经过机械滚压与拉伸制作成薄膜之后,带负电得氟离子与带正电得氢离子分别排列

在薄膜得对应上下两边上,形成微晶偶极矩结构,经过一定时间得外电场与温度联

合作用后,晶体内部得偶极矩进一步旋转定向,形成垂直于薄膜平面得碳－氟偶极

矩固定结构。正就是由于这种固定取向后得极化与外力作用时得剩余极化得变化,

引起了压电效应。

●第四类压电材料——复合压电材料

?压电复合材料就是将压电陶瓷相与聚合物相按一定连通方式,一定得体积/重量,及

一定得空间分布制作而成,它可以成倍地提高材料得压电性能。

?复合材料使加工性能,以及与水得匹配性也大为改善。

?为了从本质上极大地提高材料得压电性能,将二元复合材料进一步复合向三元或更

多元方向发展,可望获得更为优异得压电复合材料。

3、超声波探头得种类与结构

●直探头(纵波探头)

?主要探测缺陷:探测与探测面平行得缺陷,如板材、锻件探伤等。

?组成部分及各部分作用:

◆压电晶片作用就是发射与接收超声波,实现电声换能。

◆保护膜就是保护压电晶片不致磨损。分为硬、软保护膜两类。前者用于表面光

洁度较高得工件。后者用于表面光洁度较低得工件探伤。当保护膜得厚度为λ

2/4得奇数倍,且保护膜得声阻抗Z2为晶片声阻抗Z1与工件声阻抗Z3得几何

平均值时,超声波全透射。

◆吸收块(阻尼块)紧贴压电晶片,对压电晶片得振动起阻尼作用。另外还可以吸

收晶片背面得杂波,提高信噪比。并且支承晶片。

◆外壳得作用在于将各部分组合在一起,并保护之。

●斜探头(介绍横波斜探头)

?主要探测缺陷:与探测面垂直或成一定角度得缺陷,如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤

等。

?组成部分及其作用(横波斜探头实际上就是直探头加透声斜楔组成):透声斜楔得作

用就是实现波型转换,使被探工中只存在折射横波。

?标称方式:K=tgβ

●表面波探头

?主要探测缺陷:表面或近表面缺陷

?

●双晶探头(分割探头)

?分类:根据入射角αL不同,分为双晶纵波探头与双晶横波探头。

?优点:

◆灵敏度高

◆杂波少富区小

◆工件中近场区长度小

◆探测范围可调

?主要探测缺陷:近表面缺陷

●聚焦探头

?分类:点聚焦与线聚焦;水浸聚焦与接触聚焦

?以水漫聚焦探头为例说明聚焦探头得结构原理聚焦探头由直探头与声透镜组成。声

透镜得作用就就是实现波束聚焦。焦距F与声透镜得曲率半径r之间关系为 :

●可变角探头

?入射角就是可变得。转动压电晶片使入射角连续变化,一般范围为0°-70°,可实

现纵、横、表面与板波探伤。

●高温探头

?高温探头中得压电晶片需选用居里温度较高得铌酸锂(1200℃)、石英(550℃)、钛

酸铅(460℃)来制作,外壳与阻尼块为不锈钢,电缆为无机物绝缘体高温同轴电缆,

前面壳体与晶片之间采用特殊钎焊使之形成高温耦合层。这种探头可在400-700℃

高温下进行探伤。

4、超声传感器在工业中得应用

?超声波传感器在测量液位得应用 :超声波测量液位得基本原理就是:由超声探头发

出得超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体得界面后被反射,接收到回波信

号后计算其超声波往返得传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法

有很多其它方法不可比拟得优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属

于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠

性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便得实现无滞后得实时测量。

?超声波传感器在测距系统中得应用:超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲得平

均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测

量输出脉冲得宽度,即发射超声波与接收超声波得时间间隔 t,故被测距离为S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿得方法加以校正。超声波测距适用于高精度得中长距离测量。