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第13章超聲波傳感器 13 1超聲波傳感器的工作原理13 2超聲波傳感器的應(yīng)用 13 1超聲波傳感器的工作原理 13 1 1超聲波及其物理性質(zhì)13 1 2超聲波傳感器 13 1 1超聲波及其物理性質(zhì)波動 簡稱波 振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波 其頻率在16 2 104Hz之間 能為人耳所聞的機械波次聲波 低于16Hz的機械波超聲波 高于2 104Hz的機械波微波 頻率在3 108 3 1011Hz之間的波 圖13 1聲波的頻率界限圖 超聲波的物理性質(zhì) 超聲波的波型超聲波的傳播速度超聲波的反射和折射超聲波的衰減 超聲波的波型 縱波 質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波 稱為縱波 它能在固體 液體和氣體中傳播 橫波 質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波 稱為橫波 它只能在固體中傳播 表面波 質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間 沿著表面?zhèn)鞑?振幅隨深度增加而迅速衰減的波 稱為表面波 表面波質(zhì)點振動的軌跡是橢圓形 其長軸垂直于傳播方向 短軸平行于傳播方向 表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑?超聲波的傳播速度 縱波 橫波及表面波的傳播速度 取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度 氣體和液體中只能傳播縱波 其中氣體中的聲速為344m s 液體中聲速在900 1900m s 在固體中 縱波 橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系 通??烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半 表面波聲速約為橫波聲速的90 超聲波的反射和折射 圖13 2超聲波的反射和折射 超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時 隨著傳播距離的增加 能量逐漸衰減 其聲壓和聲強的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系 式中 聲波在距聲源x處的聲壓和聲強 聲波在聲源處的聲壓和聲強 聲波與聲源間的距離 衰減系數(shù) 13 1 2超聲波傳感器的工作原理 壓電式超聲波傳感器磁致伸縮式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的 壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動 從而產(chǎn)生超聲波 當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振 此時產(chǎn)生的超聲波最強 壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進行工作的 當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮 在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷 這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路 最后記錄或顯示出來 圖13 3壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 磁致伸縮式超聲波傳感器 磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來工作的 磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中 使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化即機械振動 從而產(chǎn)生出超聲波 磁致伸縮式超聲波接收器的原理是 當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時 引起材料伸縮 從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場 即導(dǎo)磁特性 發(fā)生改變 根據(jù)電磁感應(yīng) 磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動勢 此電勢送到測量電路 最后記錄或顯示出來 13 2超聲波傳感器的應(yīng)用 超聲波測厚超聲波測物位超聲波測流量超聲波探傷 超聲波測厚 圖13 4脈沖回波法檢測厚度工作原理 超聲波測物位 d c b a 圖13 5幾種超聲波檢測物位工作原理 超聲波測流量 超聲波測量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時 在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的特點 從而求得流體的流速和流量 時差法測流量相位差法測流量頻率差法測流量 圖13 6超聲波測流體流量工作原理 超聲波探傷 穿透法探傷 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量 反射法探傷 反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷 它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種 穿透法探傷 優(yōu)點 指示簡單 適用于自動探傷 可避免盲區(qū) 適宜探測薄板 缺點 探測靈敏度較低 不能發(fā)現(xiàn)小缺陷 根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷

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