超声波及物理特性

三、超声波传感器的应用
1、超声波传感器测物位 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。
ct h 2
h--换能器距液面的距离； c--超声波在介质中传播的速度。
2
h s a
2
S--超声波从反射点到换能器的距离； a——两换能器间距之半。
从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉 冲从发射到接收的时间间隔，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 产生较大的误差。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10-2～104m。
图3-2-6 数字式超声波测厚仪
高频振荡器产生计数脉冲。计数器所计的数字正比于超 声波发射和返回的时间间隔及计数脉冲频率。因此，只要调 节好高频振荡器的频率，就能直接显示出工件厚度。
② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在 固体介质中传播； ③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介 质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面 波只在固体的表面传播。 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在 两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、 折射和波型转换等现象。
超声波在工件中沿直线传播，若有缺陷则部分被反射，
称为伤波；
其余波到达工件底部反射回来，称为底波。
探头接收反射波并转换为高频电脉冲，经放大，检波等 环节，加到CRT的y轴偏转板上，在荧光屏上便显示出发射波、 伤波和底波的脉冲波形。根据伤波脉冲在x轴上的位置和标 志脉冲信号，即可方便地读出缺陷的位置。
按原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等， 其中压电式最常用。
压电式利用压电材料的逆压电效应制成超声波发射头， 利用压电效应制成超声波接收头。由于压电效应的可 逆性，有时用一个换能器兼作发射头和接收头。按工 作方式有直探头、斜探头和双探头几种。
直探头
斜探头
图3-2-2
直探头和斜探头外形
导电 螺杆
超声波直探头结构如图2-2
射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。吸
收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内 摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致
声能的损耗。
二、超声波换能器
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。 超声波换能器也称为超声波探头，即超声波传感器。
2)超声波的衰减 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。 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。散射衰减是指超声波在介质中传播时， 固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其 中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散
2、超声波传感器探伤
超声波探伤的方 法可分成许多种类， 这里仅介绍脉冲波反 射法。如图3-2-4所 示。
图3-2-4
触发信号发生器的信号，经高频脉冲发生器发出宽度
可调的高频脉冲序列，加到超声波发射头上，发射超声 波； 经时间电路，产生CRT阴极加亮脉冲和x轴扫描锯 齿波；经标志电路产生标志脉冲信号。

D
超声 波传感 器1
管道
通过时间差，可以计算出对应的流速v .
4、超声波传感器测厚
超声波测厚仪方框图， 它由主控器、发射电路、接 收放大器、计数显示器等部 分组成。主控器发出启动信 号，经发射电路中的发射头 发出超声波；并经补偿延时 电路使超声波开始进入被测 工件时，产生计数开门信号， 计数器开始计数。底面反射 信号经放大触发厚度闸门控 制电路，产生计数关门信号， 计数器停止计数。
3、超声波物理特性 1)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.
入射 波 反射 波

介质 1 介质 2 o
′

折射 波
图3-2-1 超声波的反射和折射
3、超声波传感器测量流速
目前应用较广的主要是超声波传播时间差法（或频差法）
超声波在流体中传播时， 在静止流体和流动流体中的传
播速度是不同的，利用这一特
点可以求出流体的速度，再根
据管道流体的截面积， 便可
知道流体的流量。 图3-2-5
此时超声波的传输时间将由下式确定：
超声 波传感 器2
D t1 cos c v sin D t2 cos c v sin
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第二讲
超声波传感器
一、超声波及物理特性 二、超声波换能器
三、超声波传感器的应用
一、超声波及物理特性
1、超声波频率范围
高于20KHz的机械波，称为超声波
频率在16～20KHz之间，能为人耳所闻的机械波， 称为声波 低于16Hz的机械波，称为次声波 2、超声波的波形 ① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，
所示，它主要由压电晶片、
源自文库
金属 壳
接线 片
吸收 块
吸收块（阻尼块）、保护
膜、引线等组成。
压电 晶片 保护 膜
双探头
双探头又称组合 式探头，在一个探头 内安装两块压电片， 分别用于发射和接收， 如图3-2-3所示。探 头内装有延迟块，使 超声波延迟一段时间 再射入工件，适用于 探测离探头近的物件。
图3-2-3 双探头换能器图