第9章超声波传感器及应用自动检测技术课件

2020/10/3
6Leabharlann Baidu
2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
2020/10/3
7
3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
2020/10/3
8
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
2020/10/3
超声波雾化器
9
声波的波型
（1）纵波—质点振动方向与波的传播方 向一致的波。
（2）横波—质点振动方向垂直于传播方 向的波。
（3）表面波—质点的振动介于横波与纵 波之间，沿着表面传播的波。
横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表 面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采
用纵波。
2020/10/3
10
纵 波
2020/10/3
11
横波
2020/10/3
各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
2020/10/3
34
接触法双晶斜探头（续）
2020/10/3
35
4.聚焦探头
分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为 聚焦探头，是一种很有发展前途的新型 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，还可利用类似光学反射 镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 如果将双晶直探头的延迟块按上述方法 加工，也可具有聚焦功能。
2020/10/3
36
5.箔式探头
利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高 分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔 式探头，可以获得0.2mm直径的超细声 束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很 高清晰度的图像。
2020/10/3
37
6.空气传导型探头
超声探头的发射换能器和接收换能器一 般是分开设置的，两者结构也略有不同，
2020/10/3
密度 ρ(103kg·m-
1)
声阻抗 Z（
103MPa·s 1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
7.8
46
5.9
3.23
2.7
17
6.32
3.08
8.9
42
4.7
2.05
1.18
3.2
2.73
1.43
1.26
2.4
1.92
—
1.0
1.48
1.48
—
0.9
1.28
第9章超声波传感器及应用
2020/10/3
1
引言
超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料 学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。 它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理 过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很 小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超 声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介 质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的 传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射 和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在 检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损 探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超 声成像等。
2020/10/3
2
主要章节
9.1超声波及其物理性质 9.2超声波探头及耦合技术 9.3超声波传感器的应用
2020/10/3
3
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。
2020/10/3
29
2.双晶直探头
由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。 其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超 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，使超声波的发射和接收 互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块， 它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延 迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接 近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的 结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高， 且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶 直探头简单。
2020/10/3
22
9.2超声波探头及耦合技术
为了以超声波作为检测手段，必须产生 超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器， 习惯上称为超声波换能器，或超声波探 头。
超声波发射探头发出的超声波脉冲在介 质中传到其介面经过反射后，再返回到 接收探头，这就是超声波测距原理。
2020/10/3
2020/10/3
30
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
2020/10/3
31
3.斜探头
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， 压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收 块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介 质（试件）接触时，超声波产生一定角 度的折射，倾斜入射到试件中去，折射 角可通过计算求得。
射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出
工件厚度为
δ=υt/2
2020/10/3
45
脉冲回波法测厚工作原理
从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t。 当然也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔t， 从而做成厚度数字显示仪表。
2020/10/3
46
2.超声波物位传感器
超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的 分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超 声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为 止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面 的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。
发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振 盘，以提高发射效率和方向性。接收器 在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器， 以滤除噪声，提高接收效率。空气传导 的超声发射器和接收器的有效工作范围 可达几米至几十米。
2020/10/3
38
空气传导型超声发生、接收器结 构示意图
1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶体片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
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。
2020/10/3
接插件
25
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
2020/10/3
19
波的反射和折射
2020/10/3
20
（1）反射定律
入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波
速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速
相等时，入射角 等于反射角'。
（2）折射定律
入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即
2020/10/3
39
空气超声探头（续）
2020/10/3
40
空气超声探头外形
2020/10/3
41
空气超声探头外形（续）
2020/10/3
42
9.2.2 超声波探头耦合剂
一般不能直接将其放在被测介质（特别 是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。
空气的密度很小，将引起3个界面间强烈 的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也 将对超声波造成很大的衰减。
2020/10/3
17
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
设超声源的直径D=20mm，射入钢板的
超声波（纵波）频率为5MHz，则根据
式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性
是十分尖锐的。
2020/10/3
18
3.超声波的反射和折射
超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射，
常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻 璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度 应尽量薄一些，以减小耦合损耗。
2020/10/3
43
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
12
表面波
2020/10/3
13
2.声速、波长与指向性
（1）声速 纵波、横波及表面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。
介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
2020/10/3
14
常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
23
9.2.1 超声波探头
工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁 式
其结构不同，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、空气传导探 头以及其他专用探头等，
2020/10/3
24
各种超声波探头
参考常州市常超检测设备有限公司资料）
（以下
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
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。
2020/10/3
44
9.3超声波传感器的应用
1．超声波测厚
超声波测厚常用脉冲回波法。
超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产 生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电 流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声 波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回 来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的 声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发
根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分 为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发 射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能 器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。
2020/10/3
47
几种超声物位传感器的结构示意 图
2020/10/3
48
结论
只要测得超声波脉冲从发射到接收的间 隔时间，便可以求得待测的物位，超声 物位传感器具有精度高和使用寿命长的 特点，但若液体中有气泡或液面发生波 动，便会有较大的误差。在一般使用条 件下，它的测量误差为±0.1%，检测 物位的范围为102～104m。
1.4
—
0.0013
0.0004
0.34
—
15
（2）波长
超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，
即
λ f =c
2020/10/3
16
（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。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。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电
荷和20电20/1压0/3。
26
1.单晶直探头
用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。
2020/10/3
49
3.超声波流量传感器
测定原理是多样的，如传播速度变化法、 波速移动法、多勒效应法等，
但目前应用较广的主要是超声波传输时 间差法。
2020/10/3
27
超声波探头结构示意
1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜楔块 10—试件 11—耦合剂
2020/10/3
28
超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。
2020/10/3
32
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。 2020/10/3
33
sin / sin = c1 / c2
2020/10/3
21
4.超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声 波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波 的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距 离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介 质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声 波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性 及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热 能。