第7章 超声波传感器

频率差法测量流量过程分析（续）
若不考虑管道的壁厚， 则超声脉冲的重复频率差 Δ f 与流速v成正比：
sin 2 f f1 f 2 v D
而与声速无关，减小了温漂。
频率法测得的流速v约等于管道截面
的平均流速，所以体积流量qV为：
f qv 4 sin 2
3
D
发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧
率d ：
pr Z 2 Z1 pi Z 2 Z1
pd 2Z 2 d pi Z 2 Z1
超声波的反射率与折射率的讨论
1 ）当介质 1 与介质 2 的声阻抗相等或十分接近时， γ=0 ，
d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。
2）当超声波从声阻抗（Z1）低的介质射向声阻抗（Z2）高 的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相同，但透射声压pd 却大于入射声压p
Hale Waihona Puke Baidu
再除以2，就得到厚度 ：
1 ct 2
手持式超声波测厚仪
Z 2 Z1 450 14.8 0.936 Z 2 Z1 450 14.8
2Z 2 2 * 450 d 1.938 Z 2 Z1 450 14.8
例 7-2： 上例中，当超声波已经在钢板中传播了一 段距离 l ，并到达钢板底面时，若底面是钢、水界面 ，再求反射率γ2及透射率d2。
波的波型也不同。通常有:
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, 应多采用纵波。
i
（能量仍然守恒） 。
3）当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（Z2）小
的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相反，且透射声压pd
小于入射声压pi。
例7-1：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求反射率 γ、透射率d。
查表7-1可得，Z水=14.8MPa·s·m-1， Z钢=450MPa·s·m-1，则有 解
水(20℃)
机油 空气
1.0
0.9 0.0012
14.8
12.8 4×10-3
1.48
1.4 0.34
—
— —
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
，声场指向性及指向角如图所示。指向角 θ （单位为 rad ）与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为：
sin 1.22

D
复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与 F1 被测流速v成正比 。
F2
F1发射的超声波到达 F2的时间较短
频率差法测量流量分析过程
首先由F1顺流发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及
另一侧管壁，被F2接收，F2的输出电压经放大后，再次触发F1的
驱动电路，使F1发射第二个声脉冲，以此类推。在第一个时间段 t1里，F1的脉冲重复频率为
2.多普勒法测量流量
如果波源和观察者之 间有相对运动，那么
观察者接收到的频率
和波源的频率就不相 同了，这种现象叫做 多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。
前进方向的 频率升高
2.多普勒法测量流量
所谓多普勒效应（Doppler effect）是指运动物体迎着波源运动
时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动物体背着
三、声速、波长与指向性
1. 声速：
Z c
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；
2. 波长：
c f
波长与频率的乘积恒等于声速C
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。
声速与密度、声阻抗的关系
一、声波的分类的频率分布
7.1 超声波的物理基础 一、声波的分类
声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。
频率高于20kHz的机械振动波称为超声波
（Ultrasonic）。
超声波的特性：指向性好，能量集中。
超声波的频率越高，其声场指向性就愈好，与光波的
反射、折射特性越接近。
三、超声波的传播
由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同 , 声
1.纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时， 波的传播方向与质点振动方向一致。
声波是一种纵波， 是弹性介质中传播 着的压力振动。
2. 横波: 质点的振动方向与波的传播 方向垂直 ，呈剪切形变，又称剪切波
3. 表面波： 固体的质点在固体表面的平衡位置附近作椭圆
轨迹的振动，使振动博只沿着固体的表面向前传播。
2. 双晶直探头Twin transducer probe
将两个单晶探头组合装配在同 一壳体内，其中一片发射超声波， 另一片接收超声波。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。 双晶探头的结构虽然复杂些， 但检测准确度比单晶直探头高， 且超声信号的反射和接收的控制 电路简单。
发射晶片
所受到的压强为静压强；当超声波在介质中传播时，质点在平
衡位置附近振动，质点所受到的压强产生变化。质点所受交变 压强与静压强之差称为声压。
p cx
2. 声压I：单位时间内，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I，声强与声压P 的二次方呈正比， 与声阻抗Z呈反比。
1 P2 I 2 Z
接收晶片
焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz， 在钢中的折射角：45 ~70
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，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。 主要用于横波探伤。
常用频率范围：1~5MHz
4. 聚焦探头 Focusing type probe
由于超声波的波 长很短，类似于
广播，可以被聚
焦成十分细(直径 1mm)的声束。可 用来分辨试件中 细小的缺陷。
5. 箔式探头
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


超声多普勒法
互相干法
1.
频率差法测量流量原理：
F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过
电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先
由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁 被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射 第二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器 ，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重
变电荷和电压。
7.3 超声波传感器的应用
当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种 类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警 器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型 可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤 以及测厚等。
一、超声波流量计

频率差法 时间差法 相位法
四、超声波的反射和折射
声波从一种介质传播
到另一种介质, 在两
个介质的分界面上一 部分声波被反射， 另 一部分透射过界面, 在另一种介质内部继
续传播。这样的两种
情况称之为声波的反
射和折射。
四、超声波倾斜入射时的反射与折射
反射定律：超声波入射角 α 的 正弦与反射角 α r的正弦之比，等
于入射波所处介质的声速 c1 与反
波源运动时，会产生相反的效应。 超声探头 F1 向流体发出频 率为f1的连续超声波，照射到 液体中的散射体（悬浮颗粒 或气泡）。 v为散射体的运动 速度，散射的超声波产生多 普勒频移fd，接收探头 F2接收 到频率为f2的超声波：
c v cos f 2 f1 c v cos
多普勒法测量流量示意图
六、超声波在介质中的衰减
声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减， 其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声
压和声强的衰减规律为
Px P0e I x I 0e
ax
2 ax
Px、Ix——距声源x处的声压和声强； x——声波与声源间的距离；
α——衰减系数，单位为Np/cm（奈
c v cos (c v cos ) sin f1 D / sin D
在紧接下去的另一个相同的时间间隔t2(t2=t1)内,与上述过程相 反,由F2逆流发射超声脉冲,而F1接收脉冲。可以测得F2的脉冲重 复频率为：
c v cos (c v cos ) sin f2 D / sin D
解：Ｚ2＝Ｚ水，Ｚ1＝Ｚ钢
Z 2 Z1 14.8 450 0.936 Z 2 Z1 450 14.8
2Z 2 2 *14.8 d 0.064 1 Z 2 Z1 450 14.8
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。利用超声波的反射特性用于金属探伤和测厚
培/厘米）。
7.2 超声波传感器
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。 超声波探头按其 工作原理可分为压电
导电 螺杆
式、磁致伸缩式、电
磁式等，其中以压电 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。
保护 膜 压电 晶片 金属 壳 接线 片
检测技术与故障诊断
第7章 超声波传感器
第7章 超声波传感器 Piezoelectric Sensors
电压、
窄脉冲
晶体材料
超声波
主要内容
7.1 超声波的物理基础 7.2 超声波的换能器及耦合技术
7.3 超声波传感器的应用
7.4 无损伤探测
7.5 工程项目设计实例：铁路钢轨探伤
7.1 超声波的物理基础
多普勒频移fd正比于散射体的流动速度v ：
2 cos f d f 2 f1 f1 v c
fd c v 2 cos f1
折算出平均流速，再乘以管道的截面积A，才等于 被测体积的流量。
二、超声波测厚
双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超 声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只 压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接 收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常 数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，
吸收 块
压电式超声波传感器结构
7.2 超声波传感器
a）单晶直探头 b）双晶直探头 c）斜探头
1. 单晶直探头 straight beam probe
超声波的发射和接受均是利用 同一块晶片，单时间上有先后， 所以单晶直探头处于分时工作状 态，用电子开关切换这两种状态。 发送超声波时，将500V以上的高电 压脉冲加到压电晶片上，利用逆 压电效应，使晶片发射出一束持 续时间很多的超声振动波； 超声波到达试件底部时被反射，反 射波经过一个短暂的传播时间， 回到压电晶片。根据压电效应， 压电晶片将超声波转换成同频率 的交变电荷或电压。
3.反射率与折射率
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：p i+ pr = pd
反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质的声 阻抗Z有关。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γ。透射波声压pd与入射波声压pi之比称为声压透射
射波所处介质的声速 cr 之比，即 ：sinα/sinαr=c1/cr 折射定律：入射角 α 的正弦与 折射角 β 的正弦之比，等于超声
波在入射波所处介质 1的声速c1与
折射波所处介质 2中的传播速度 cs 之比，即sinα/sinβ = c1 /cs
五、超声垂直入射时的反射与折射
1. 声压P：介质中没有声波传播时，质点处于平衡状态，质点
材料 密度 声阻抗 纵波声速 cL/km· s-1 横波声速 cS/km· s-1 ρ/103kg· m-1 Z /MPa· s· m-1
钢 铜 铝
有机玻璃
7.7 8.9 2.7
1.18 1.27
460 420 170
32 24
5.9 4.7 6.3
2.7 1.9
3.2 2.2 3.1
1.20 —
甘油