第11章 超声波传感器

传感技术与信号处理
第10章
10.3 超声波传感器
1. 2. 3. 4. 5. 6.
概述： 超声波物理基础 超声波传感器的原理 超声波传感器的检测方式 超声波探头 超声波传感器的应用
1
1.超声波特性： 人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20HZ～ 20kHZ范围内。频率超过20KHZ称为超声波，低于20HZ称为次 声波。检测中常用的超声波频率范围为几十kHZ到几十MHZ。 超声波具有以下基本性质。 1）. 传播速度 2）. 反射和折射现象 3）. 传播中的衰减 2.声波的分类： 1).次声波
28
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
29
接触法双晶斜探头（续）
30
• 在检测技术中主要以压电式最为常用。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； 而正压电效应是将 超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。
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。
26
各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
27
接触法双晶直探头
发射晶片
接收晶片
15
2).声速、波长与指向性
(1)声速 : 声波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。
• 表示出了几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系。在这里，声阻抗是描 述介质传播声波特性的一个物理量。介质的声阻抗Z等于介质的密度P和声 速c的乘积，即 Z=pc • 固体的横波声速约为纵波声速的一半，且与频率关系不大。而表面波的声速 约为横波声速的90％，故又称表面波为慢波。温度越高，声速越慢。
• 由于机械波的振源施力方向与波在介质中传播的方向 不同，所以超生波的传播波型形式主要可分为纵波、 横波、表面波等几种。 (1)横波：质点的振动方向垂直于传播方向的波。它只能 在固体中传播，如图(a)所示。
14
(3)表面波：质 点的振动介于 纵波和横波之 间，沿着表面 传播，它是振 动幅度随深度 的增大而迅速 衰减的波。表 面波只在固体 的表面传播。
第10章
• 超声波传感器的带宽一般为几千赫，并具有选频特性。如图所 示为MA403R(接收传感器)与MA40A3S(发送传感器)的频率特 性。通用型超声波传感器的频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。 而在多通道通信使用时，采用宽频带传感器较为方便。
•
在上例中，当超声波已经在钢板中传播了一段距离，到达钢板底面时，若 底面是钢、水界面，再求反射率r及透射率d。 • 与上题相反，Z2=Z水，Z1=Z钢，所以有
•
以上计算表明，超声波从声阻抗大的材料透射到声阻抗小的材料时，声压 的大部分被反射。本例中，反射率高达93.8％(见图中的Pr2)，而只有一小部 分泄漏出来，本例中透射到水中的声压只有6.2％(见图中的Pd1)。如果钢板 的底面是与空气交界时，则泄漏量就更小了。超声波的这一特性有利于金属 探伤和测厚。
12
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。
·
13
2. 超声波物理基础
1). 超声波的传播方式
超声波塑料 焊接机
9
超声波金丝 焊接机
10
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
11
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。
24
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。
接插件
25
接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
接插件
22
5).超声波在介质中的衰减 • 超声波在同一介质内传播时，随着传播距离的增加，其强度会减弱，这是由 于介质吸收能量，引起能量损耗的缘故。介质吸收能量的程度与波的频率和 介质密度有关。例如，气体的密度很小，超声波在气体中传播时很快衰减。 因此，超声波主要用于固体和液体中有关参数的检测。
• 以固体介质为例，设超声波进人介质时的声强 为Ιi，通过一定距离x的介质后的声强衰减为Ι， 衰减系数为k，如图所示，则有下列关系式
3
3).超声波
蝙蝠 能发出和 听见超声 波。
4
蝙蝠依靠超声波捕食
频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。
5
振动在弹性介质内的传播称为波动 ，简称波。其频率在
16~2×104 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2wk.baidu.com104 Hz的机械波，称为超
声波, 频率在3×108~3×1011 Hz之间的波，称为微波。声波的频
• 即界面一侧的总声压等于另一侧的总声压，压强处于平衡状态。将反射声压 Pr与入射波声压Pi之比称为声压反射率r。透射波声压Pd与入射波声压Pi之 比称为声压透射率d。
•
Z1——介质1的声阻抗； Z2——介质2的声阻抗。
20
• 当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求反射率r、透射率d。 • 查表可得Z水=1.48，Z钢=46则有
率界限如图所示。
次声 波 声波 音乐 语言
6 0 .2 5×1 0
超声 波
6 2 0×10
微波
探测
1 01
1 02
1 03
1 04
5 10
1 06
1 07
f / Hz 6
• 20世纪中叶，人们发现某些介质的晶体，例如 石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等，在 高电压窄脉冲作用下，能产生较大功率的超声 波。它与可闻声波不同，可以被聚焦，能用于 集成电路的焊接，显像管内部的清洗。
• 在检测方面，利用超声波有类似于光波的折射、 反射的特性，制作超声声纳探测器，可以用于 探测海底沉船、敌方潜艇等.
• 现在，超声波已渗透到我们生活中的许多领域， 例如B超、遥控、防盗、无损探伤等。
7
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
超声波雾化器
8
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。
低于20赫兹(Hz)的机械振动人耳不可闻，称为次声波，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。但许多动物却能感受到。比如地震发生前 2 的次声波就会引起许多动物的异常反应。
2).可闻声波
声波是一种机械波。当它的振动频率在20Hz～20kHz的范围内时， 可为人耳所感觉，称为可闻声波。美妙的音乐可使人陶醉。
•
介质中的声强衰减与超声波的频率及介质的密度、晶粒粗细等因素有关。 晶粒越粗或密度越小，衰减越快；频率越高；衰减也越快。气体的密度很小， 因此衰减较快，尤其在频率高时衰减更快。
23
• 超声波传感器(超声波换能器及耦合技术 )
• 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。 • 超声波换能器又称超声波探头。超声波探头按其工作原理 可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。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。
• 采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上， 一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线 通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。 双晶振子为正方形，正方形的左 右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两 处的支点就成为振子振动的节点。金属
31
32
3.超声波传感器的原理
• 超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆 效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发 送器就是利用压电逆效应的原理。
33
1).超声波传感器发送器和接收器 • 一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作
用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器
• 以上计算说明，超声波从声阻抗小的材料(密度通常也较小)，入射到声阻抗 大的材料(密度通刺嫩大)时，透射声压较大。本例中透射率高达193.8％(图 中的Pd2)，而反射率也较大，达93.8％(图中的Pr1)，必须予以吸收，才不至 于造成干扰。 • 在例中，透射率d>1(但小于2)，并不等于透射能量会大于入射能量。这是因 为虽然透射声压大于入射声压，但透射声强公式Ιd=Pd2／(2Z)中的声阻抗Z 增大得更多，所以透射声强Ιd仍然小于入射声强Ιi,而且遵守能量守恒定律 Ιd+Ιr=Ιi 21
板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，
圆锥形振子有较强的方向性，因而能高 效率地发送超声波；接收超声波时，超
声波的振动集中于振子的中心，所以，
能产生高效率的高频电压。
35
传感技术与信号处理
第10章
空气超声探头外形
36
传感技术与信号处理
空气超声探头外形（续）
第10章
37
传感技术与信号处理
4). 通用型超声波传感器的特性
19
(3)反射率与折射率 前面已述及，当声波从一种介质进入另一种介质时，在两 种不同介质的结合面(界面)上，可分为反射声波和透射声波两个部分，如图 所示。反射和透射的比例与组成界面的两种介质声阻抗Z有关。 • 当声波垂直入射到光滑的界面上时，入射声压Pi、反射声压Pr、透射声压 Pd三者之间满足如下关系 Pi+Pr=Pd
17
3). 倾斜入射时的反射与折射 • 超声波在传播中通过两种不同介质时，会产生折射和 反射现象，其频率越高，反射和折射的特性与光波特 性越相似，如图所示。
18
4).垂直入射时的反射与透射 (1).声压 介质中没有声波传播时，质点处于平衡状态，质点间有 相互作用力，此时质点所受到的压强称为静压强。当超声波在 介质中传播时，质点在平衡位置附近振动，质点所受压强产生 变化。质点所受交变压强与静压强之差称为声压P. 声压与介质 密度ρ声速c、质点的振幅χ及振动的角频率ω成正比，即 P=ρcxω • 超声波的角频率ω很大，虽然振幅很小，但加速度a却很大，所 以它对试件施加的力很大。将超声波施加在两片压紧的金属片 上时，可以将它们“焊接”在一起，称为超声波焊接。 (2)声强Ι 单位时间内，在垂直于声波传播方向上的单位面积A内 所通过的声能称为声强Ι，声强与声压P的平方成正比。
有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声
波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接
收器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接收超 声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、
40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振频率变
高，则检测距离变短，分解力也变高。
34
2). 超声波传感器结构
16
(2). 波长 • 超声波的波长λ与频率f的乘积恒等于声速c,即 λf=c • 例如，将一束频率为5 MHz的超声波(纵波)射人钢板，查表可知， 纵波在钢中的声速CL=5．9km／s，所以此时的波长λ为1.18 mm，如果是可闻声波，其波长将大上千倍。 (3)指向性 • 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，如图 所示。在声束横截面的中心轴 线上，超声波最强，且随着扩 散角度的增大而减小。指向角 θ与超声源的直径D、以及波 长λ之间的关系为 sinθ=1.22λ／D