超聲波式傳感器

12:36PM14.6超聲波式傳感器

機(jī)器魚自動避障模塊設(shè)計(jì)對于自動避障，本項(xiàng)目通過一個超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲傳感器（收發(fā)一體化TR）發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收，然后將這一接收信號放大后送入單片機(jī)。12:36PM24.6.1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(jī)械波次聲波：低于16Hz的機(jī)械波超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波12:36PM3圖：聲波的頻率界限圖12:36PM4

次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲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。產(chǎn)生次聲波的聲源是相當(dāng)廣泛的，現(xiàn)在人們已經(jīng)知道的次聲源有：火山爆發(fā)、墜入大氣層中的流星、極光、地震、海嘯、臺風(fēng)、雷暴、龍卷風(fēng)、電離層擾動，等等。利用人工的方法也能產(chǎn)生次聲波，例如核爆炸、火箭發(fā)射、化學(xué)爆炸，等等。大面積瞬間殺人于無形的次聲波武器1.次聲波12:36PM51980年，一艘名叫“馬爾波羅”的帆船在由新西蘭駛往英國的途中突然神秘地失蹤；20年后，卻在火地島附近被人發(fā)現(xiàn)。船上的一切都原封不動、完好如初。就連已死多年的船員也都各就各位，保持著工作狀態(tài)?？茖W(xué)家對他們的神秘死亡引起了極大的關(guān)注，經(jīng)過長期研究，終于發(fā)現(xiàn)，原來他們正是死于海上風(fēng)暴產(chǎn)生的次聲。

次聲波的危害12:36PM61992年11月24日，桂林上空發(fā)生了一起空難，141人死亡。當(dāng)事件的原因經(jīng)多方解釋而未肯定之時，中國聲學(xué)研究所的專家，提出了存在著因“次聲波”的作用而致使飛機(jī)墜毀的可能性。桂林屬半丘陵地帶，氣團(tuán)依山勢走向而上下浮動，引起氣流震動，會產(chǎn)生一種“山背波”的次聲波，當(dāng)飛機(jī)遇到這種危害極大的由次聲波引起的晴空湍流時，如同落入一個風(fēng)旋渦中，在擠壓力、沖力等多種強(qiáng)勁外力的作用下，將造成飛機(jī)失控、產(chǎn)生機(jī)毀人亡的惡果。還有研究結(jié)果表明，次聲波對飛機(jī)的影響還有一種“生物效應(yīng)”。該理論認(rèn)為，當(dāng)次聲波的頻率接近人體頻率時，就有可能產(chǎn)生“共振”，飛機(jī)駕駛員無法承受這種強(qiáng)烈的效應(yīng)，就有致命的危險(xiǎn)。也就是說，此次空難的兇手很可能就是這種次聲波。

12:36PM7次聲波武器按照感官刺激分類，目前研制出來的次聲武器可分為兩種。一種是神經(jīng)型次聲武器，它通過發(fā)射頻率與人腦的“阿爾法節(jié)律”相近（約5Hz）的次聲波，刺激人的神經(jīng)，使人暈眩頭痛、精神錯亂。另一種是器官型次聲武器，通過發(fā)射頻率與人體內(nèi)臟固有頻率相當(dāng)（4～8Hz）的次聲波，使人出現(xiàn)惡心嘔吐、胃痛、呼吸困難等癥狀。

相對于傳統(tǒng)概念的武器，次聲波武器具有隱蔽性強(qiáng)、傳播速度快、傳播距離遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)、不污染環(huán)境和破壞設(shè)施等特點(diǎn)，從而被列為新概念武器家族的重要成員，勢必成為未來戰(zhàn)場上的武器新寵。

12:36PM8

早在上世紀(jì)60年代，發(fā)達(dá)國家就競相研究次聲波武器。1972年法國國家實(shí)驗(yàn)中心制成一臺強(qiáng)次聲發(fā)生器，首次試驗(yàn)就使5公里以內(nèi)的人員受到傷害。上世紀(jì)

80年代法國科學(xué)家加弗羅制出了一種“大哨笛”次聲發(fā)生器，聲壓級為160dB，能對人體器官產(chǎn)生損傷，當(dāng)時法國報(bào)紙稱它為“次聲槍”。1979年蘇聯(lián)秘密進(jìn)行次聲炸彈試驗(yàn)，由于當(dāng)時對其威力估計(jì)不足，又缺乏良好防護(hù)，造成數(shù)名現(xiàn)場人員死亡。法國科學(xué)家加夫雷奧聲波武器鼻祖12:36PM9美國更是不甘落后。美國陸軍武器研究室研制出一種可延伸至17米長的喇叭型聲炮，發(fā)射功率達(dá)20kW（千瓦）。上世紀(jì)70年代，美警方開發(fā)了使人“僵化”或失去戰(zhàn)斗力的次聲武器，來控制騷亂。據(jù)稱美國干涉波黑內(nèi)戰(zhàn)時，曾秘密用過這些非致命次聲武器，僅幾秒鐘就使塞軍陣地陷入一片混亂，有人昏倒，有人嘔吐不止。

遠(yuǎn)程聲波設(shè)備目前已經(jīng)廣泛用于反暴亂和反恐行動,圖為裝備LRAD的美軍“斯特賴克”裝甲車12:36PM10次聲波的應(yīng)用通過研究自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的次聲波的特性和產(chǎn)生的機(jī)理，更深入地研究和認(rèn)識這些自然現(xiàn)象的特征與規(guī)律。例如，利用極光所產(chǎn)生的次聲波，可以研究極光活動的規(guī)律。(2)利用所接收到的被測聲源產(chǎn)生的次聲波，可以探測聲源的位置、大小和研究其他特性。例如，

通過接收核爆炸、火箭發(fā)射或者臺風(fēng)產(chǎn)生的次聲波，來探測出這些次聲源的有關(guān)參量。12:36PM11(3)次聲波在大氣層中傳播時，很容易受到大氣介質(zhì)的影響，它與大氣層中的風(fēng)和溫度分布等因素有著密切的聯(lián)系。因此，可以通過測定自然或人工產(chǎn)生的次聲波在大氣中的傳播特性，探測出某些大規(guī)模氣象的性質(zhì)和規(guī)律。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以對大范圍大氣進(jìn)行連續(xù)不斷的探測和監(jiān)視。(4)人和其他生物不僅能夠?qū)Υ温暡óa(chǎn)生某些反應(yīng)，而且他(或它)們的某些器官也會發(fā)出微弱的次聲波。因此，可以利用測定這些次聲波的特性來了解人體或其他生物相應(yīng)器官的活動情況。12:36PM122.可聞聲波美妙的音樂可使人陶醉。12:36PM133.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。12:36PM14蝙蝠依靠超聲波捕食12:36PM15

超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器超聲波加濕器12:36PM16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，能用于集成電路及塑料的焊接。超聲波塑料焊接機(jī)12:36PM17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)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器12:36PM18

魚群探測器

把這種探測器放在海里，它就會向水底發(fā)射聲波，如果有魚群通過，魚群吐出的大量水泡會使聲波反射回來，并通過壓電陶瓷接收聲波，變成電訊號，人們就可以從儀器上知道魚群的位置。用同樣的方法，也可以探測到海底暗礁，偵察在海洋里活動的敵人的潛水艇。12:36PM19美國蜂鳥595C系列魚群探測器（GPS衛(wèi)星定位彩屏3￥7580

）12:36PM20超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用

胎兒B超影像12:36PM21超聲波用于高效清洗

當(dāng)弱的聲波信號作用于液體中時，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；而當(dāng)強(qiáng)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，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，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(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲波清洗應(yīng)用范圍非常廣泛，主要應(yīng)用于機(jī)械、電子、光學(xué)、醫(yī)藥、電鍍、涂裝及真空鍍膜前處理等行業(yè)。特別適用于表面形狀復(fù)雜的零件，如對精密工件上的狹縫、凹槽、深孔、肓孔的清洗，同時能夠清洗掉零件表面油污、銹蝕及氧化皮。特別對制藥行業(yè)各種玻璃制器及內(nèi)外科器械的清洗效果最為理想，不僅能達(dá)到清洗的目的，還能對玻璃器皿內(nèi)外壁附著的各種微生物、病菌起到粉碎作用，達(dá)到消毒滅菌的作用。12:36PM22超聲波清洗原理及清洗器

超聲換能器氣泡波浪清洗物12:36PM23電子行業(yè)專用超聲波清洗機(jī)電子零件的清洗/元器件的基體清洗/PCB板的清洗/電子材料加工成型后的清洗

珠寶行業(yè)專用超聲波清洗機(jī)

液晶行業(yè)專用超聲波清洗機(jī)

12:36PM244.6.2超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動波稱為超聲波。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，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例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，其聲場指向性就愈好。12:36PM25縱波：質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。橫波：質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播。表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァＫ{(lán)姆波：藍(lán)姆波沿著板的兩個表面及中部傳播。超聲波種類12:36PM26縱波12:36PM27橫波

12:36PM28表面波12:36PM29圖10-2超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射12:36PM30利用超聲波物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為超聲波換能器，或超聲波探測器、超聲波傳感器，有時也叫超聲波探頭。4.6.3超聲波傳感器原理超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，在檢測技術(shù)中壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的,逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭；由于其結(jié)構(gòu)不同，分為直探頭式、斜探頭式和雙探頭式。12:36PM31壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如圖所示。

1.超聲波的發(fā)生

式中，n=1，2，3，…是諧波的級數(shù)；c為波在壓電材料里的傳播速度(縱波)；

式中，E為楊氏模量；為壓電材料的密度。

壓電材料的固有頻率與晶體片厚度d有關(guān)，即因此，壓電材料的固有頻率為根據(jù)共振原理，當(dāng)外加交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時，產(chǎn)生共振，這時產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電式超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強(qiáng)可達(dá)幾十W／cm2。12:36PM32磁致伸縮超聲波發(fā)生器磁致伸縮效應(yīng)的大小，即伸長縮短的程度，不同的鐵磁物質(zhì)其情況不相同。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，它在一切磁場中都是縮短的。如果先加一定的直流磁場，再加以交流電時，它可工作在特性最好的區(qū)域。磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.1～0.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如圖所示。磁致伸縮超聲波發(fā)生器磁致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬W，聲強(qiáng)可達(dá)幾千W／cm2，能耐較高的溫度。12:36PM332.超聲波的接收在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強(qiáng)度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶體片上時，使晶片伸縮，則在晶片的兩個界面上產(chǎn)生交變電荷。這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出結(jié)果。它的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時就用同一個超聲波發(fā)生器兼做超聲波接收器。磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮的逆效應(yīng)而制成的。當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材料伸縮，引起它的內(nèi)部磁場(即導(dǎo)磁特性)的變化。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應(yīng)電動勢，并將此電動勢送到測量電路及記錄顯示設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)也與發(fā)生器差不多。12:36PM34超聲波傳感器對12:36PM35

超聲波探頭：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、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。12:36PM36各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm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12:36PM37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，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12:36PM38各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz12:36PM39接觸法雙晶直探頭

將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。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，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。發(fā)射晶片接收晶片12:36PM40各種雙晶直探頭

焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

12:36PM41接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）12:36PM42

水浸探頭

（可用自來水作為耦合劑）

選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點(diǎn)聚焦或線聚焦。12:36PM43超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏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(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(jī)械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。12:36PM44耦合劑

超聲探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。12:36PM45

超聲波的應(yīng)用有兩種基本類型：當(dāng)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。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)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。

4.6.4超聲波傳感器應(yīng)用12:36PM46超聲波傳感器應(yīng)用舉例

12:36PM47超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM48超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤檢測12:36PM49疊放高度測量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM50超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯誤檢測12:36PM51超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制12:36PM52機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM53紙卷直徑檢測超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM54平整度測量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM55超長距離檢測超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM56流水線計(jì)數(shù)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）12:36PM57對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。案例1.超聲波探傷(1)穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。穿透法探傷示意圖12:36PM58(2)反射法探傷反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明檢測原理。反射法探傷示意圖高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖(發(fā)射波)加在探頭上，激勵壓電晶體振蕩，使之產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波T、缺陷波F及底波B經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。熒光屏上的水平亮線為掃描線(時間基準(zhǔn))，其長度與時間成正比。由發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大?。挥扇毕莶ǖ男螤?，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。12:36PM59超聲波探傷tA12:36PM60無損探傷

材料的缺陷人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實(shí)踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛機(jī)、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。

路軌斷裂事故12:36PM61無損探傷的方法

對缺陷的檢測手段有破壞性試驗(yàn)和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗(yàn)對象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測法、超聲波探傷法、霍爾元件探傷法等。

12:36PM62磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀

將磁懸液噴灑在工件表面，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。12:36PM63X光探傷

將x光發(fā)生器對準(zhǔn)被測位置，將感光片貼在物體背面，人離開后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷。12:36PM64

計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)是一種重要的無損檢測技術(shù)(NDT)，是物理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)物。它是基于射線與物質(zhì)的相互作用原理，通過投影重建方法獲取被檢測物體的數(shù)字圖像，全面解決了傳統(tǒng)x射線攝影裝置的影像重疊、密度分辨率低等缺點(diǎn)。（參考中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所資料）計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)探傷12:36PM65CT探傷成像（參考中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所資料）12:36PM66超聲波探傷

超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達(dá)不到的深度。A型超聲探傷反射波形裂紋12:36PM67A型超聲波探傷起始波缺陷反射波底波工件缺陷12:36PM68鋼軌探傷車滑板式探頭

12:36PM69高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）12:36PM70鐵路鋼軌探頭

鐵路鋼軌對接焊縫探測用探頭缺陷鐵路鋼軌探傷用滑板式探頭焊縫12:36PM71

管道環(huán)焊縫超聲波檢測裝置

管道環(huán)焊縫超聲波檢測裝置原理12:36PM72超聲探傷儀12:36PM73構(gòu)件的超聲探傷12:36PM74構(gòu)件的超聲探傷（續(xù)）12:36PM75構(gòu)件的超聲探傷12:36PM76案例2.超聲波測液位超聲波測液位示意圖超聲波測液位是利用回聲原理進(jìn)行工作的，如圖所示。當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過時間t后，探頭接收到從液面反射回來的回音脈沖。因此探頭到液面的距離L可由下式求出超聲波速度c在各種不同的液體中是不同的；即使在同一種液體中，由于溫度和壓力的不同，其值也是不同的。因?yàn)橐后w中有其他成分的存在及溫度的不均勻都會使超聲波速度發(fā)生變化，引起測量的誤差，故在精密測量時，要考慮采取補(bǔ)償措施。利用這種方法也可以測量料位。式中，c為超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波到接收到超聲波的時間差。由此可見，只要知道超聲波的速度，通過精確測量時間t的方法，就可以測量出距離L。12:36PM77超聲波測量液位和物位原理

在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。12:36PM78超聲波測量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器12:36PM79在超聲波測厚技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的是脈沖回波法，原理：主要是測量超聲波脈沖通過工件所需的時間間隔，然后根據(jù)超聲波脈沖在工件中傳播的速度求出工件的厚度。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，并控制發(fā)射電路把它經(jīng)電流放大后接到超聲波發(fā)生器上去。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲脈沖進(jìn)入工件后，被底面反射回來，并由同一個超聲波發(fā)生器接收。接收到的脈沖信號經(jīng)放大器加至示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標(biāo)記發(fā)生器輸出一定時間間隔的標(biāo)記脈沖信號，也加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上。掃描電壓加到示波器的水平偏轉(zhuǎn)板上。這樣，在示波器熒光屏上可以直接觀察到發(fā)射脈沖和接收脈沖信號。接收間的時間間隔t，試件的厚度d可用下式求出案例3.超聲波測厚度標(biāo)記信號一般可以調(diào)節(jié)，根據(jù)測量的要求選擇。如果預(yù)先用標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行校正，可以根據(jù)熒光屏上發(fā)射與接收兩個脈沖間的標(biāo)記信號直接讀出被測工件的厚度。超聲波測厚度示意圖12:36PM80手持式超聲波測厚儀12:36PM81超聲波測厚石料測厚12:36PM82超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚12:36PM83雙晶超聲波測厚探頭12:36PM84雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）12:36PM85案例4.超聲波測距

空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測物時，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t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。12:36PM86案例5.超聲波測流量超聲波流量傳感器的測定原理是多樣的,如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法。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)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。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時間差t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T112:36PM87F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時間較短F1、F2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)射器與接收器用。首先由F1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F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。F2F112:36PM88

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)12:36PM89超聲波換能器在管道上的配置方式12:36PM90同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）12:36PM91超聲波流量計(jì)現(xiàn)場使用超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點(diǎn),可測流體種類很多,不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體、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。12:36PM92圖4-105超聲波流量測量原理a）發(fā)射器與接收器的安裝位置 b）電路組成框圖

12:36PM93案例6.超聲波多普勒測量車速12: