專題3超聲波檢測原理與超聲波傳感器典型應(yīng)用

1、2022-4-191專題專題3 3 超聲波檢測原理超聲波檢測原理與超聲波傳感器典型應(yīng)用與超聲波傳感器典型應(yīng)用2022-4-192n1.超聲波檢測的原理（116到117頁）超聲波：一種頻率很高的機械波，能在氣體、液體、固體中傳播。頻譜如圖所示，因其頻率高而波長短、繞射現(xiàn)象小。超聲波突出的特征：方向性好，能成為射線而定向傳播；在液、固體中衰減很小，尤其是對光不透明的固體。超聲波傳感器：通過超聲發(fā)生器先將超聲波發(fā)射出去，再將接收回來的超聲波變換成電信號的裝置?？蓽y量液位、流量、速度等以及用于無損探傷。2022-4-1922022-4-193超聲波測距超聲波測距 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時

2、，空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t t，再乘以空氣的聲速（，再乘以空氣的聲速（340m/s340m/s），就是超聲脈沖），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2 2就得到距離。就得到距離。 2022-4-194超聲波測距公式超聲波測距公式1 2ct2022-4-195聲波的分類聲波的分類（1 1）次聲次聲波 次聲波是頻率低于次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，赫茲的聲波，

3、人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，但可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會引起人的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導致心臟停止跳動。的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導致心臟停止跳動。2022-4-196（2 2）可聞聲波）可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。美妙的音樂可使人陶醉。(20HZ20KHZ）2022-4-197（3 3）超）超聲波聲波 蝙蝠蝙蝠能發(fā)出和能發(fā)出和聽見超聲聽見超聲波。（頻波。（頻率高于率高于20KHZ）2022-4-198蝙蝠依靠超聲波捕食蝙蝠依靠超聲波捕食2022-4-199 超聲波與可聞聲波不超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有同，它可以被聚焦，具有能量集中的特

4、點。能量集中的特點。超聲波霧化器超聲波霧化器超聲波加濕器超聲波加濕器2022-4-1910 壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。電路及塑料的焊接。 超聲波塑料超聲波塑料焊接機焊接機2022-4-1911超聲波金絲超聲波金絲焊接機焊接機2022-4-1912 超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于

5、光波。折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波便攜式超聲波探魚器探魚器2022-4-1913超聲波在醫(yī)學檢查超聲波在醫(yī)學檢查中的應(yīng)用中的應(yīng)用 胎兒的胎兒的 B超影像超影像2022-4-1914超聲波用于高效清洗超聲波用于高效清洗 當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當強的聲波信號作加大，形成許多微小的氣泡；而當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形

6、成的微小氣泡被壓碎。體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為種現(xiàn)象被稱之為“空化作用空化作用”，超聲波清洗正是利，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達到清洗和沖用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、機械、玻璃、

7、醫(yī)療儀器等行業(yè)。機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。2022-4-1915超聲波清洗原理及清洗器超聲波清洗原理及清洗器（參考湖南省瀏陽市醫(yī)用儀具廠（參考湖南省瀏陽市醫(yī)用儀具廠 、北京德泰隆科技發(fā)展有限責任公司資料）、北京德泰隆科技發(fā)展有限責任公司資料）超聲換能器超聲換能器氣泡氣泡波浪波浪清洗物清洗物2022-4-1916 頻率高于頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如

8、鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。其聲場指向性就愈好。2022-4-19172.壓電換能器（117到118頁）習慣上把超聲的發(fā)射和接收部分均稱為超聲波換能器。超聲波換能器分類：按結(jié)構(gòu)分為直式換能器、斜式換能器等按作用原理分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。實用中壓電式換能器最常見。（1）直式換能器直式換能器可發(fā)射及接收縱波，基本結(jié)構(gòu)如圖示。換能器中的壓電晶片多為圓板形，超聲波頻率與其厚度成反比，即式中，d為晶片厚度；E11為晶片沿X軸方向的彈性模量；為晶片厚度。2022

9、-4-19171112Efd2022-4-19182）壓電換能器的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)中，對保護膜材料的選擇要考慮其性質(zhì)，以實現(xiàn)聲阻抗的匹配，其最佳條件為：Z=(Z1/Z2)0.5式中，Z為保護膜的聲阻抗；Zl為壓電晶片的聲阻抗；Z2為被測試件的聲阻抗。（2）斜式換能器斜式換能器可發(fā)射與接收橫波，如圖所示，主要由壓電晶片、阻尼塊及斜楔塊組成。晶片產(chǎn)生縱波，經(jīng)斜楔塊傾斜入射到被測試件中轉(zhuǎn)換為橫波。斜楔塊為有機玻璃、被測件為鋼，斜式換能器的角度(入射角)在2861間時，可在鋼中產(chǎn)生橫波。直式換能器在液體中傾斜入射工件時，也能產(chǎn)生橫波。2022-4-19182022-4-19193）典型應(yīng)用及特點超聲測距和物

10、位測量是超聲波最成功的應(yīng)用領(lǐng)域之一。超聲測距和物位測量原理基本相同，相對于其他測距方法（雷達、紅外、激光），超聲波測距的優(yōu)點如下： 對色彩和光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的 物體； 對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙 霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中； 傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。2022-4-19192022-4-1920溫度變化影響聲速，但在測距精度要求較高時，可進行溫度補償，聲速隨溫度變化可近似表達為：v= v0+0.607T其中，v0為溫度為0時的聲速；T為實時溫度（）。聲波在空氣中傳播時衰減較大，因此，超聲測距范圍有限

11、。衰減與頻率成正比，頻率越高，測量距離越小；但要獲得高分辨率，需要高頻率，因此存在矛盾。超聲測流量也是典型應(yīng)用，超聲波流量計的相對優(yōu)點： 非接觸式測量。 不受流體物理和化學性質(zhì)的影響。 讀數(shù)與所測流量呈線性關(guān)系，便于讀數(shù)、記錄和累積。2022-4-19202022-4-1921 超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、

12、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等?？諝鈧鲗筋^以及其他專用探頭等。 2022-4-1922各種超聲波探頭各種超聲波探頭 （以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）（以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：常用頻率范圍：0.50.510MHz10MHz，常見晶片直徑：常見晶片直徑：5 530mm30mm接觸式直探頭接觸式直探頭（縱波垂直入射（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）到被檢介質(zhì)） 外殼用金屬制外殼用金屬制作，保護膜用硬度作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片作，防止壓電

13、晶片磨損。磨損。 保護膜保護膜接插件接插件2022-4-1923接觸式接觸式 直探頭原理直探頭原理超聲脈沖電壓超聲脈沖電壓輸入端輸入端 接地端接地端2022-4-1924接觸式斜探頭接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭） 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如3030 、4545 等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而

14、傳播到較遠處去。次反射，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件2022-4-1925各種接觸式斜探頭各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：常用頻率范圍：1 15MHz5MHz2022-4-1926接觸法雙晶直探頭接觸法雙晶直探頭 將兩個單晶探頭組合將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復雜雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復雜些，但檢測精度比單晶直些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號

15、的反探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。晶直探頭簡單。 發(fā)射晶片發(fā)射晶片接收晶片接收晶片2022-4-1927各種雙晶直探頭各種雙晶直探頭 焦距范圍：焦距范圍：5 540mm, 40mm, 頻率范圍：頻率范圍：2.52.55MHz5MHz，鋼中折射角：鋼中折射角：4545 7070 2022-4-1928接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）2022-4-1929 水浸探頭水浸探頭（可用自來水作為耦合劑）（可用自來水作為耦合劑） 選擇聲透選擇聲透鏡形狀，可決鏡形狀，可決定聚焦形式為定聚焦形式為點聚焦或線聚點聚焦或線聚焦。焦。2022-4-193

16、0聚焦探頭聚焦探頭 由于超聲波的波長很短（由于超聲波的波長很短（毫米毫米數(shù)量級），所以數(shù)量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直徑可小到徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細小的缺陷，左右，可以分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。這種探頭稱為聚焦探頭。 聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波；聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。焦超聲波。 2

17、022-4-1931聚焦探頭原理及外形聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭水浸聚焦探頭2022-4-1932超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片 將將數(shù)百伏數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機械振動波被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。2022-4-1933耦合劑耦合劑 超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物超聲探

18、頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)中。在工業(yè)中，使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化合劑有自來水、

19、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。學漿糊等。 2022-4-1934空氣超聲探頭空氣超聲探頭 a a） 超聲發(fā)射器超聲發(fā)射器 b b）超聲接收器）超聲接收器 1 1外殼外殼 2 2金屬絲網(wǎng)罩金屬絲網(wǎng)罩 3 3錐形共振盤錐形共振盤 4 4壓電晶片壓電晶片 5 5引腳引腳 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超聲波束超聲波束 2022-4-1935空氣超聲探頭（續(xù)）空氣超聲探頭（續(xù)） 2022-4-1936空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形（續(xù)）空氣超聲探頭外形（續(xù)）2022-4-1938空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器2022-4-19393.3.超聲波傳感器

20、的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時，這種類型稱為透射型。透射型可用兩側(cè)時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關(guān)等。超聲于遙控器、防盜報警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位射型可用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。、金屬探傷以及測厚等。 2022-4-1940超聲波傳感器應(yīng)用舉例超聲波傳感器應(yīng)用舉例 2022-4-1941超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)） 2022-4-1

21、942（1）超聲波 物位傳感器（134到135頁）u物位：各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不相溶液體介質(zhì)分界面的高低和固體粉末物料的堆積高度等的總稱。u液位：儲存在容器中的液體所存積的高度以及自然界中江、河、湖、水庫的水表面位置；u料位：容器或倉庫中堆積的固體物的相對高度或表面位置；u界位：同一容器中兩種密度不同且互不相溶的液體之間或液、固體之間的分界面位置。u被測對象種類繁多，檢測條件和環(huán)境差別大，應(yīng)根據(jù)具體對象和條件選用相應(yīng)傳感器。u物位是相對某一基準面而言的，測物位是測量被測對象與參考基準面之間的距離。測量連續(xù)物位的傳感器也是測長度、距離的傳感器。2022-4-1943u特點：可測

22、液體，也適應(yīng)粒狀松散并含大量氣體的被測材料,如細粒狀或粉末狀的泡沫塑料、纖維素等, 可用于木制或塑料容器，但不適于測含固體材料的液體。u形式：一種是通過被測物使聲波短路或斷路，或使振蕩器頻率改變、停振而定點發(fā)信號的物位計(圖a、b)，用于極限位監(jiān)控，屬開關(guān)型；另一種是連續(xù)發(fā)出聲波信號, 在界面處反射，再由接收器接收。根據(jù)已知波速v，通過測量從發(fā)出到返回的時間t得到物位h=vt/2，如圖c、d所示，用于連續(xù)物位測量。u缺點：成本較高，需振 蕩器，還需高頻發(fā)生器。2022-4-1944超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤檢測緊固件的安裝錯誤檢測202

23、2-4-1945疊放疊放高度測量高度測量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物物件放置錯誤檢測件放置錯誤檢測超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制透明塑料張力控制2022-4-1948機械手定機械手定位位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）2022-4-1949紙卷直徑檢測紙卷直徑檢測超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）應(yīng)用舉例（續(xù)）2022-4-1950平整度測量平整度測量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）2022-4-1951超長距離檢測超長距離檢測超聲波傳

24、感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）應(yīng)用舉例（續(xù)）2022-4-1952流水線計數(shù)流水線計數(shù)超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）應(yīng)用舉例（續(xù)）2022-4-1953流水線計數(shù)流水線計數(shù)超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）應(yīng)用舉例（續(xù)）2022-4-1954超聲波測量液位和物位原理超聲波測量液位和物位原理 在液罐上方安裝空氣傳導在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時間，就可測得超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。液體的液面。 2022-4-1955超聲波液位計原理超聲波液位計原理 1 1液面液面 2 2直管直管 3 3空氣超聲探頭空氣超聲探頭 4

25、 4反射小板反射小板 5 5電子開關(guān)電子開關(guān) 2022-4-1956液位指示及控制電路2022-4-19572022-4-1958超聲波測量液位和物位超聲波測量液位和物位 喇叭形喇叭形 超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器2022-4-1959（2）超聲波 流量傳感器（179到180頁）u利用超聲波具有的良好方向性測流量。u工作原理：如圖。T1和T2為超聲波發(fā)射器，Rl和R2為對應(yīng)兩發(fā)射器的超聲波接收器。發(fā)射器和接收器與管道內(nèi)流體流動方向之間的夾角為，流體流動速度為v，方向如圖所示。u根據(jù)相關(guān)理論，從Tl發(fā)射聲波脈沖開始到R1接收到聲波脈沖為止，其間所需時間（順流時間）為 tdown=L/(c+vcos )=

26、(D/sin)/(c+vcos) 式中，L為超聲波發(fā)射器與接收器之間的直線距離；c為聲速；D為超聲波發(fā)射器與接收器之間在流速方向的垂直距離。u同理，從T2發(fā)射聲波脈沖開始到R2接收聲波脈沖為止，其間所需時間（逆流時間）為: tup=L/(cvcos)=(D/sin)/(c-vcos) 2022-4-1960由上分析可得聲波順流與逆流時間之差為： t=tuptdown=2vDcoth/(c2(vcos)2) 由于cv，故t2vDcoth/c2 u只要測出順流和逆流之間的時差就可得到平均速度，從而得到流體的體積流量：Qv=Av=(0.5Ac2tan/D)t； 其中，A為流體管道的橫截面面積。u上述

27、方法是把對流量的測量轉(zhuǎn)換為對兩點之間時差的測量。 實際中，因t一般太小，常用相差或頻差進行流量測量。u應(yīng)用特點：屬于非接觸式的傳感器，可測量的流體種類很多，只要流體能傳輸超聲波，就可實現(xiàn)測量，特別適合大口徑流體流量測量，但不適合200以上高溫流體。因?qū)嶋H中的超聲流量傳感器系統(tǒng)復雜，價格較貴，工業(yè)中使用較少。2022-4-1961超聲波流量計超聲波流量計 F1發(fā)射的超聲波先到達發(fā)射的超聲波先到達 T12022-4-1962測量流量原理分類測量流量原理分類 時間差法測量流量原理：在被測管道上下時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和游的一定距離上，分別安裝兩對超

28、聲波發(fā)射和接收探頭（接收探頭（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中F F1 1，T T1 1的超聲波是順流傳播的，而的超聲波是順流傳播的，而F F2 2，T T2 2的超聲波是的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差時間差 t t，可得到流體的平均速度及流量。，可得到流體的平均速度及流量。 2022-4-1963F1發(fā)射的超聲波到達發(fā)射的超聲波到達 F2的時間較短的時間較短 頻率差法測量流量原理頻率差法測量流量原理：

29、 F1、F2 是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號經(jīng)放大接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖發(fā)射第二個聲脈沖 。緊接著，由緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測作接收器，可以測得得F1的脈沖重復頻率為的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得

30、。同理可以測得F2的脈沖重的脈沖重復頻率為復頻率為f2。順流發(fā)射頻率。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率與逆流發(fā)射頻率f 2的頻的頻率差率差 f與被測流速與被測流速v成正比成正比 。F2F12022-4-1965 發(fā)射、接收探頭發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)也可以安裝在管道的同一側(cè)2022-4-1966同側(cè)式同側(cè)式超聲波流量計的使用超聲波流量計的使用 2022-4-1967超聲波流量計現(xiàn)場使用超聲波流量計現(xiàn)場使用2022-4-1968（3）多普勒效應(yīng)測速（149到150頁）1）多普勒效應(yīng)：當發(fā)射機與接收機之間距離變化時，發(fā)射機發(fā)射信號的頻率與接收機收到信號頻率不同的現(xiàn)象。u多普勒效應(yīng)產(chǎn)生過

31、程(以被測體向檢測點接近的情況為例): 如圖a所示，發(fā)射機發(fā)的信號波(電磁或超聲)向被測體輻射，被測體以速度v運動，被測體作為接收機收到的信號頻率： f1 =f0+ v /0 式中，f0為發(fā)射機發(fā)射信號的頻率；v為被測物體的運動速度；0為發(fā)射信號波長，0C/f0，C為信號波傳播速度。2022-4-1969u如果將f1作為反射波向接收機發(fā)射，如上圖b所示。接收機接收到的信號波頻率為： f2 = f1+ v /1 = f0+ v /0 + v /1u若被測物的運動速度v遠小于信號波的傳播速度C，即v C時，可認為0 =1，所以 f2 = f0 + 2v /0u由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻

32、率，即 fd=f2f0=2v /0u可見，只要v C，被測體的運動速度v可用多普勒頻率和信號波長描述為：v =0 fd/2。2022-4-1970u多普勒雷達組成:發(fā)射機+接收機+混頻器+檢波放大+處理電路u工作原理：當發(fā)射信號和收到的回波信號混頻后，兩者產(chǎn)生 差頻現(xiàn)象，差頻的頻率即多普勒頻率。 多普勒雷達產(chǎn)生的多普勒頻率：fd(2vcos)/0 ; 其中v為被測 體線速度；為探測信號發(fā)射方向與被測體的速度方向夾角； 0為信號波長；vcos為電磁波方向與被測物體的速度分量。 已知夾角和信號波長0，測多普勒頻率fd可得被測速度v。u激光或電磁波多普勒雷達廣泛應(yīng)用 于車輛行駛速度檢測；超聲多普勒

33、可測流體的流速，如通過測人體血 管內(nèi)血液流速來檢查血液黏度。 2022-4-1971超聲波多普勒測量車速超聲波多普勒測量車速2022-4-1972多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 前進方向的前進方向的頻率升高頻率升高 如果波源和觀察如果波源和觀察者之間有相對運動，者之間有相對運動，那么觀察者接收到的那么觀察者接收到的頻頻率率和波源的頻率就和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測叫做多普勒效應(yīng)。測出出 f 就可得到運動速就可得到運動速度。度。2022-4-1973超聲波多普勒測量風速超聲波多普勒測量風速風 風引起超聲波的頻率風引起超聲波的頻率變大或變小變大或變小2022-4-19

34、74（4）超聲波傳感器測厚（補充）超聲波傳感器測厚（補充） 雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間沖所需的時間t t，再乘以被測體的聲速常數(shù)，再乘以被測體的聲速常數(shù)c c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以距離，再除以2 2，就得到厚度，就得到厚度 ： 1 2ct2022-4-1975手持式超聲波

35、測厚儀手持式超聲波測厚儀2022-4-1976某超聲波測厚儀指標某超聲波測厚儀指標 顯示方法顯示方法128128* *32 LCD 32 LCD 點陣液晶顯示（帶背光）點陣液晶顯示（帶背光） 顯示位數(shù)：四位顯示位數(shù)：四位 測量范圍：測量范圍：0.80.8200mm 200mm 示值精度：示值精度：0.1mm 0.1mm 聲速范圍：聲速范圍：1000 1000 9999m/s 9999m/s 測量周期：測量周期：2 2次次/ /秒秒 自動關(guān)機時間：自動關(guān)機時間：9090秒秒 電源：二節(jié)七號（電源：二節(jié)七號（AAAAAA）電池）電池，可連續(xù)工作不少于，可連續(xù)工作不少于7272小時小時 使用溫度：使

36、用溫度：-10-10C C 40 40C C 存儲溫度：存儲溫度：-20-20C C 70 70C C 外形尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230g （含電池）（含電池）2022-4-1977超聲波測厚超聲波測厚石料測厚石料測厚2022-4-1978超聲波手持式測厚超聲波手持式測厚混凝土測厚混凝土測厚木材測厚木材測厚小提琴小提琴 木料測厚木料測厚2022-4-1979雙晶超聲波測厚探頭雙晶超聲波測厚探頭2022-4-1980雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）2022-4-1981（5 5）超聲波無損探傷（補充）超聲波無損探傷（

37、補充） 一、無損探傷的基本概念一、無損探傷的基本概念 人們在使用各種材料人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的期實踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來許多災難事故，涉及艦來許多災難事故，涉及艦船、飛機、軸類、壓力容船、飛機、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。器、宇航器、核設(shè)備等。 路軌斷裂事故路軌斷裂事故2022-4-1982無損探傷的方法無損探傷的方法 對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。

38、前提，所以得到廣泛應(yīng)用。 無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（法、熒光染色滲透法、放射線（x x光、中子）光、中子）照相檢測法、超聲波探傷法等。照相檢測法、超聲波探傷法等。 2022-4-1983磁粉檢測法磁粉檢測法磁懸液磁懸液磁粉檢測儀磁粉檢測儀 將將磁懸液磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢噴灑在工件表面，將磁粉檢測頭夾持在被測工件上，通以數(shù)百安培的測頭夾持在被測工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場，工件表面的裂電流，工件中將產(chǎn)生磁場，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來。紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來。2022-4-1984X X光探傷光探傷 將將x x光發(fā)生器對準被測位置，將感光片光發(fā)生器對準被測位