第七章超声波传感器第一讲

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授课班级09D电气1、电气2 授课日期

课节 2 课堂类型讲授

课题第七章超声波传感器第一节超声波传感器的结构和原理第二节超声波传感器的特性第三节超声波传感器的应用

第四节无损探伤

教学目的与要求【知识目标】1、了解超声波传感器的结构及工作原理2、超声波传感器的特点3、理解多普勒效应掌握超声波传感器测流量的两种方法以及掌握读识超声波传感器A型探伤的波形及波形分析的技能4、了解超声波传感器的其他应用

【能力目标】培养学生工程分析及工程计算的能力。

【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点重点：超声波测流量的两种方法、多普勒效应、A型探伤难点：多普勒效应

教具教学辅助活动教具：多媒体课件、习题册

教学辅助活动：提问、学生讨论

一节教学过程安排

复习

1、压电效应和逆压电效应

2、压电测振的原理；

3、怎样读识频谱图

5分钟讲课

1、超声波传感器的结构及工作原理

2、超声

波传感器的特点3、超声波传感器的应用重点

学习多普勒效应掌握超声波传感器测流量的

两种方法以及掌握读识超声波传感器A型探

伤的波形及波形分析的技能

73分钟小结

小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互

动答疑

10分钟作业习题册第七章超声波传感器习题2分钟

任课教师：叶睿2011年1月27日审查教师签字：年月日

教案附页【复习提问】

上节课知识点：

1、压电效应和逆压电效应

2、压电测振的原理；

3、怎样读识频谱图

第七章超声波传感器

第一节超声波传感器的结构和工作原理

【本节内容设计】

通过课件与教师讲授超声波的相关物理知识以及超声波传感器的结构、工作原理，为超声波传感器的学习奠定基础

【授课内容】

超声波的相关物理知识

（一）、声波的本质和分类

声波是一种机械波。

1．可闻声波：振动频率在20Hz～20kHz的范围内，可为人耳所感觉

2．次声波：振动频率在20Hz以下人耳无法感知，但许多动物却能感受到。比如地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。

3．超声波：振动频率高于20kHz的机械振动波

（二）、超声波的传播方式

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

（三）、声速、波长与指向性

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。几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系如表7-1所示。

表7-1常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃）

材料密度声阻抗纵波声速横波声速ρ/103kg·m-1z/10MPa·s-1c L/km·s-1c S/km·s-1

钢7.8 46 5.9 3.23 铝 2.7 17 6.3 3.1 铜8.9 42 4.7 2.1 有机玻璃 1.18 3.2 2.7 1.2 甘油 1.26 2.4 1.9 --- 水（20℃） 1.0 1.48 1.48 ---

油0.9 1.28 1.4 ---

空气0.0012 0.0004 0.34 ---

分析表7-1：多数情况下，密度和声阻抗越大，声速越快。

超声波的特点：

指向性好，能量集中，穿透本领大，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，这一现象类似于光波。

超声波的特性与频率的关系：频率越高，其声场指向性就愈好，与光波的反射、折散特性就越接近。

多数情况下，密度和声阻抗越大，声速越快。

二、超声波传感器的结构及工作原理

工作原理

目前市场销售的超声波传感器有两种形式：专用型、兼用产品通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。

超声波传感器有发射、接收两部分

发射元件—利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波。

接收元件—利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号。

结构

超声波换能器有时又称超声波探头。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。由于其结构不同，换能器又分为直探头、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，超声波探头结构示意图如图7-5所示。

图7-5超声波探头结构示意图

a）单晶直探头b）双晶直探头c）斜探头

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

一、以固体为传导介质的超声探头

（1）单晶直探头

分析发射和接收过程：

发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声范围内、持续时间很短的超声振动波。

超声波到达被测物底部后，超声波的绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。利用压电效应，晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。

由于衰减等原因，该电压通常只有几十毫伏，还要加以放大，才能在显示器上显示出该脉冲的波形和幅值。

结论：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。

（2）双晶直探头

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较单晶直探头简单。

（3）使用斜探头的目的：为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可使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，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去。

（4）水探头

可用自来水作为耦合剂（5）、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。

二、以空气为传导介质的超声探头

发射器的压电片上必须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：几米至几十米。