超聲波傳感器及應(yīng)用課件

1、第9章超聲波傳感器及應(yīng)用 9/30/20221引言超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個(gè)物理過程來完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速測量、超聲顯微鏡及超聲成像等。9/30/20222主要章節(jié)9.1超聲波及其物理性質(zhì) 9.2超聲波探頭及耦合技術(shù) 9.3超聲波傳感

2、器的應(yīng)用 9/30/202239.1超聲波及其物理性質(zhì)1超聲波的概念和波形機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng) 9.1.1 超聲波的基本概念 9/30/20224聲波頻率的界限劃分9/30/202252.可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。9/30/202273.超聲波 蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。9/30/20228聲波的波型 （1）縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳

3、播方向一致的波。（2）橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。（3）表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。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。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。 9/30/202210縱波9/30/202211橫波 9/30/2022122.聲速、波長與指向性 （1）聲速縱波、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)的密度以及聲阻抗 。介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度和聲速c的乘積，即Z=c 9/30/202214常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0） 材 料密度(103kgm-1)聲阻抗Z（103MPas

4、 -1）縱波聲速cL（km/ s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92水（20）1.01.481.48油0.91.281.4空氣0.00130.00040.349/30/202215（3）指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。 1超聲源 2軸線 3指向角 4等強(qiáng)度線9/30/202217指向角與超聲源的直徑D、以及波長之間的關(guān)系為sin= 1.22/D 設(shè)超聲源的直徑D=20mm，

5、射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據(jù)式（可得=4o，可見該超聲波的指向性是十分尖銳的。9/30/2022183.超聲波的反射和折射 超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個(gè)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之為聲波的反射和折射， 9/30/202219波的反射和折射 9/30/202220（1）反射定律入射角 的正弦與反射角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、波速相等時(shí)，入射角 等于反射角。（2）折射定律入射角 的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波所處介質(zhì)的波速c1與

6、在折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即sin / sin = c1 / c2 9/30/2022214.超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，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(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收，在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。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。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。 9/30/2022229.2.1 超聲波探頭 工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式 其結(jié)構(gòu)不同

7、，超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等， 9/30/202224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）常用頻率范圍：0.510MHz，常見晶片直徑：530mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)） 外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。 保護(hù)膜接插件9/30/2022251.單晶直探頭 用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭），壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護(hù)膜用于防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜可以用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼

8、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。9/30/202227 超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意 1接插件 2外殼 3阻尼吸收塊 4引線 5壓電晶體 6保護(hù)膜7隔離層 8延遲塊 9有機(jī)玻璃斜楔塊 10試件 11耦合劑9/30/202228超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時(shí)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)。 9/30/2022292.雙晶直探頭 由兩個(gè)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，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加

9、以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時(shí)間后才入射到試件中，可減小試件接近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。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，且超聲波信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。 9/30/202230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 9/30/2022313.斜探頭 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定

10、角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得。 9/30/202232接觸式斜探頭（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30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，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)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件9/30/202233各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：15MHz9/30/202234接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）9/30/2022354.聚焦探頭 分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。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

11、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加工，也可具有聚焦功能。 9/30/2022365.箔式探頭 利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細(xì)聲束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。9/30/2022376.空氣傳導(dǎo)型探頭 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， 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。空氣傳導(dǎo)的超聲發(fā)

12、射器和接收器的有效工作范圍可達(dá)幾米至幾十米。9/30/202238空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)示意圖 1外殼 2金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤 4壓電晶體片5引腳 6阻抗匹配器 7超聲波束9/30/202239空氣超聲探頭（續(xù)） 9/30/202240空氣超聲探頭外形9/30/202241空氣超聲探頭外形（續(xù)）9/30/2022429.2.2 超聲波探頭耦合劑 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(dòng)，以防磨損。 空氣的密度很小，將引起3個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對超聲波造成很大的衰減。 常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)

13、盡量薄一些，以減小耦合損耗。9/30/202243耦合劑 超聲探頭與被測物體接觸時(shí)，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(gè)界面間強(qiáng)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，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(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。 9/30/2022449.3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測厚常用脈沖回波法。 超聲波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)電流放大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲

14、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聲速是已知的，設(shè)工件厚度為，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t可以測量，因此可求出工件厚度為=t/2 1超聲波測厚 9/30/202245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，并求出時(shí)間間隔t。當(dāng)然也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號來測量時(shí)間間隔t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。 9/30/2022462.超聲波物位傳感器 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。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(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法

15、可以對物位進(jìn)行測量。 根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。 9/30/202247幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 9/30/202248結(jié)論只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)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特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會有較大的誤差。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102104m。 9/30/2022493.超聲波流量傳感器 測定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多勒效應(yīng)法

16、等，但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。 9/30/202250實(shí)際應(yīng)用 超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收，超聲波不會給管內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響 9/30/202251超聲波測量原理圖 9/30/202252超聲波傳感器安裝位置圖 9/30/202253特點(diǎn)超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體。還是高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測量。超聲波流量計(jì)可用來對自來

17、水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測量。9/30/2022544.汽車倒車探測器 （倒車?yán)走_(dá)）選用封閉型的發(fā)射超聲波傳感器MA40EIS和接收超聲波傳感器MA40EIR安裝在汽車尾部的側(cè)角處，按如圖9-10所示電路裝配即可構(gòu)成一個(gè)汽車倒車尾部防撞探測器。分為超聲發(fā)射電路、超聲接收電路和信號處理電路。9/30/202255汽車倒車尾部防撞探測器原理圖 9/30/202256（1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時(shí)基電路555組成，555振蕩電路的頻率可以調(diào)整，調(diào)節(jié)電位器RPl可將接收超聲波傳感器的輸出電壓頻率調(diào)至最大，通常可調(diào)至40kHz。 9/30/202257

18、（2）超聲波接收電路超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器MA40EIR，MA40EIR的輸出由集成比較器LM393進(jìn)行處理。LM393輸出的是比較規(guī)范的方波信號。 9/30/202258（3）信號處理電路信號處理電路用集成電路LM2901N，它原是測量轉(zhuǎn)速用的IC，其內(nèi)部有F/V轉(zhuǎn)換器和比較器，它的輸入要求有一定頻率的信號。9/30/202259結(jié)論當(dāng)超聲發(fā)射器和接收器的位置確定時(shí)，移動(dòng)被測物體的位置，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)對車尾或車尾后側(cè)的安全構(gòu)成威脅時(shí)，應(yīng)使LED點(diǎn)燃以示報(bào)警，這一點(diǎn)要借助于微調(diào)電位器RPl進(jìn)行。調(diào)試好發(fā)射器、接收器的位置、角度后，再往車后處安裝。報(bào)警的方式可以用紅色發(fā)光二極管，也可采用蜂鳴器或揚(yáng)聲器報(bào)警，采用聲光報(bào)警則更佳。9/30/202260 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(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器9/30/202261超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用 胎兒的 B超影像9/30/202262超聲波用于高效清洗 當(dāng)弱的聲波信號作用于液體中時(shí)，會對液體產(chǎn)生一定的負(fù)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；