自动检测技术及应用第七章.

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

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

2.可闻声波

美妙的音乐可使人陶醉。

蝙蝠能发出和听见超声

波。

蝙蝠依靠超声波捕食

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。

超声波雾化器

超声波加湿器

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

焊接机

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。

探鱼器

超声波在医学检查中的应用

胎儿的

B 超影像

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。

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。
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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。
接插件
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接触式 直探头原理
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）

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。

底部耐磨材料

接插件

各种接触式斜探头

常用频率范围：1~5MHz

接触法双晶直探头 发射晶片 接收晶片

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）

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。

聚焦探头原理及外形

水浸聚焦探头

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

压电陶瓷的主要性能指标

1) 介电常数：1000~6000

：300~600pC/N

2) 压电灵敏度D

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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