超聲波傳感器及應(yīng)用

1、2022-7-71第第9 9章章 超聲波傳感器及應(yīng)用超聲波傳感器及應(yīng)用 2022-7-72主要章節(jié)主要章節(jié)n9.1超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) n9.2超聲波探頭及耦合技術(shù)超聲波探頭及耦合技術(shù) n9.3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 2022-7-73聲波頻率的界限劃分聲波頻率的界限劃分9.1超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)9.1.1 超聲波的基本概念超聲波的基本概念 2022-7-74 聲波的分類1.次聲次聲波波 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，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

2、波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。2022-7-752.可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。美妙的音樂可使人陶醉。2022-7-763.超聲波 蝙蝠蝙蝠能發(fā)出和能發(fā)出和聽見超聲聽見超聲波。波。2022-7-77 超聲波與可聞聲波不同，超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中的特點。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2022-7-78聲波的波型聲波的波型 n（1）縱波）縱波質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波。致的波。n（2）橫波）橫波質(zhì)點振動方向垂直于傳

3、播方向的質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。波。n（3）表面波）表面波質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。n橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。 2022-7-79縱波2022-7-710橫波 2022-7-711表面波2022-7-7122.聲速、波長與指向性聲速、波長與指向性 n（1）聲速）聲速n縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于縱波

4、、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗抗 。n介質(zhì)的聲阻抗介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度等于介質(zhì)的密度和聲速和聲速c的乘積，即的乘積，即nZ=c 2022-7-713常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為度為0） 材材 料料密度密度(103kgm-1)聲阻抗聲阻抗Z（103MPas -1）縱波聲縱波聲速速cL（km/ s）橫波聲橫波聲速速cs（km/s）鋼鋼7.8465.93.23鋁鋁2.7176.323.08銅銅8.9424.72.05有機玻璃有機玻璃1.183.22.731.43甘油甘油1.2

5、62.41.92水（水（20）1.01.481.48油油0.91.281.4空氣空氣0.00130.00040.342022-7-714（2）波長）波長n超聲波的波長超聲波的波長與頻率與頻率f 乘積恒等于聲速乘積恒等于聲速c，即，即n f =c 2022-7-715（3）指向性）指向性n超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴散。在聲束橫截面的中心度逐漸向外擴散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度的增大而減小。的增大而減小。 1超聲源超聲源 2軸線軸線 3指向角指向角 4等強度線等強度線2022-7-7

6、16n指向角指向角與超聲源的直徑與超聲源的直徑D、以及波長、以及波長之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為nsin= 1.22/D n設(shè)超聲源的直徑設(shè)超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的，射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據(jù)，則根據(jù)上式可得上式可得=4，可見該超聲波的指向，可見該超聲波的指向性是十分尖銳的。性是十分尖銳的。2022-7-7173.超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 n超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分能量被反射兩個介質(zhì)的分界面上一部分能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一部分透射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一

7、部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，則叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱則叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射，之為聲波的反射和折射， 2022-7-718波的反射和折射波的反射和折射 2022-7-719n（1）反射定律）反射定律n入射角入射角 的正弦與反射角的正弦與反射角 的正弦之比等于波的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速相等時，入射角相等時，入射角 等于反射角等于反射角 。n（2）折射定律）折射定律n入射角入射角 的正弦與折射角的正弦與折射角 的正弦之比等于超的正弦之比等于

8、超聲波在入射波所處介質(zhì)的波速聲波在入射波所處介質(zhì)的波速c1與在折射波中與在折射波中介質(zhì)的波速介質(zhì)的波速c2之比，即之比，即nsin / sin = c1 / c2 2022-7-7204.超聲波的衰減超聲波的衰減 n超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波的擴散、能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波的擴散、散射及吸收等因素有關(guān)。散射及吸收等因素有關(guān)。 n在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。n散

9、射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。中的懸浮粒子使聲波散射。n吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 2022-7-7219.2.1 超聲波探頭超聲波探頭 n工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式式 n其結(jié)構(gòu)不同，超聲波探頭又分為直探頭、其結(jié)構(gòu)不同，超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭、沖水探頭

10、、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等，頭以及其他專用探頭等， 9.2超聲波探頭及耦合技術(shù)超聲波探頭及耦合技術(shù)2022-7-722各種超聲波探頭常用頻率范圍：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，防止壓電晶片磨損。磨損。 保護膜保護膜接插件接插件2022-7-723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，利用的超聲電

11、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(dāng)超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利動波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電用壓電效應(yīng)，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。荷和電壓。2022-7-7241.單晶直探頭單晶直探頭 n用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭），壓電晶片采用頭），壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護膜用于防制作，外殼用金屬制作，保護膜用于防止壓電晶片磨損。保護膜可以用三氧化止壓電晶

12、片磨損。保護膜可以用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼吸收塊用射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。2022-7-725 超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意 1接插件接插件 2外殼外殼 3阻尼吸收塊阻尼吸收塊 4引線引線 5壓電晶體壓電晶體 6保護膜保護膜7隔離層隔離層 8延遲塊延遲塊 9有機玻璃斜楔塊有機玻璃斜楔塊 10試件試件 11耦合劑耦合劑202

13、2-7-726n超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時間上有先后之分，所以單塊晶片，但時間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時工作狀態(tài)，必須用晶直探頭是處于分時工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。 2022-7-7272.雙晶直探頭雙晶直探頭 n由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以片吸聲性能強、絕緣性能好的薄

14、片加以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。n雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測精雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲波信號的反度比單晶直探頭高，且超聲波信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。 2022-7-728各種雙晶直探頭 焦距范圍：540mm, 頻率范圍：2.55MHz，鋼中折射角：45 70 2022-7-729 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(dāng)斜楔塊與不同材等）的有機玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測

15、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3.斜探頭斜探頭 2022-7-730各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：15MHz2022-7-731接觸式雙晶斜探頭2022-7-7324.聚焦探頭聚焦探頭 n分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。探頭。n聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聚焦探頭采

16、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聲波，也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡，還可利用類似光學(xué)反射來制作聲透鏡，還可利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，也可具有聚焦功能。加工，也可具有聚焦功能。 2022-7-7335.箔式探頭箔式探頭 n利用壓電材料聚偏二氟乙烯（利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細聲直徑的超細聲束，用在

17、醫(yī)用束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。高清晰度的圖像。2022-7-7346.空氣傳導(dǎo)型探頭空氣傳導(dǎo)型探頭 n超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同，般是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同， n發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率?？諝鈧鲗?dǎo)以濾除噪聲，提高接收效率。空氣傳導(dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍的

18、超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達幾米至幾十米?？蛇_幾米至幾十米。2022-7-735空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)示意圖空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)示意圖 1外殼外殼 2金屬絲網(wǎng)罩金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤錐形共振盤 4壓電晶體片壓電晶體片5引腳引腳 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7超聲波束超聲波束2022-7-736空氣超聲探頭 2022-7-737空氣超聲探頭外形2022-7-738空氣超聲探頭外形2022-7-7399.2.2 超聲波探頭耦合劑超聲波探頭耦合劑 n一般不能直接將其放在被測介質(zhì)（特別一般不能直接將其放在被測介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動，以防磨損。是粗糙金屬）表面來回移動

19、，以防磨損。 n空氣的密度很小，將引起空氣的密度很小，將引起3個界面間強烈個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對超聲波造成很大的衰減。將對超聲波造成很大的衰減。 n常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。2022-7-740耦合劑 2022-7-7419.3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用n超聲波測厚常用脈沖回波法。超聲波測厚常用脈沖回波法。 n超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)超聲波

20、探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經(jīng)電生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲流放大后激勵壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速聲速是已知的，設(shè)工件厚度為是已知的，設(shè)工件厚度為，脈沖波從發(fā)，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔射到接收的時間間隔t可以測量，因此可求出可以測量，因此可求出工件厚度為工件厚度為n=t/2 1超聲波測厚超聲波測厚 2022-7-742脈沖回波法測厚工

21、作原理脈沖回波法測厚工作原理 從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時間間隔出時間間隔t。也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時間標(biāo)準(zhǔn)信號來測量時間也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時間標(biāo)準(zhǔn)信號來測量時間間隔間隔t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。 2022-7-7432.超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 n超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔能器接收到反

22、射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。用這種方法可以對物位進行測量。 2022-7-744幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 hh2a2ahhss(a)(b)2022-7-745結(jié)論結(jié)論n只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時間，便可以求得待測的物位，超聲隔時間，便可以求得待測的物位，超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點特點n若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會有較大的誤差。有較大的

23、誤差。n在一般使用條件下，它的測量誤差為在一般使用條件下，它的測量誤差為0.1%，檢測物位的范圍為，檢測物位的范圍為102104m。 2022-7-7463.超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 n測定原理目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波測定原理目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法。傳輸時間差法。n超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中的傳輸速度是不同的，利用流動流體中的傳輸速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流管道流體的截面積，便可知道流體的流量。量。 2022-7-747實際應(yīng)用實際應(yīng)用 n超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管超聲波傳感器安裝在管道的