常用傳感器-6超聲波

2.6超聲波傳感器主要學(xué)習(xí)超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測(cè)技術(shù)中的一些應(yīng)用，也涉及相關(guān)的設(shè)備及方法一、超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)二、超聲波傳感器及應(yīng)用超聲波傳感器概述：聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽(tīng)不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。2.可聞聲波

美妙的音樂(lè)可使人陶醉。3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽(tīng)見(jiàn)超聲波。蝙蝠依靠超聲波捕食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)超聲波金絲焊接機(jī)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(yú)器超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的

B超影像超聲波用于高效清洗當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)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(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)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(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)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(gè)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(lái)達(dá)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(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽(yáng)市醫(yī)用儀具廠、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物第一節(jié)超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)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(shí)，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(chǎng)指向性就愈好。一、超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。頻率在16～2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2×104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，如圖7-3所示。頻率在3×108～3×1011Hz之間的波，稱為微波?？v波橫波表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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)中傳播質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑コ暡ǖ牟ㄐ渭捌鋫鞑ニ俣瓤v波橫波

表面波超聲波的波形及其傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。以水為例，當(dāng)蒸餾水溫度在0～74℃時(shí)，聲速隨溫度的升高而增加，在74℃時(shí)達(dá)到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強(qiáng)等也會(huì)引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定的關(guān)系：通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速為900～1900m/s。波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱為聲波的反射和折射。如圖7-4所示。

（7-2）

波型的轉(zhuǎn)換當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會(huì)發(fā)生橫波的反射和折射，如圖7-5所示。式中，α為入射角，α1、α2為縱波與橫波的反射角，、為縱波與橫波的折射角；

cL、cL1、cL2分別為入射介質(zhì)、反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的縱波速度，cs1、cs2分別為反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度。如果第二介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波，而不會(huì)產(chǎn)生橫波和表面波。（1）縱波全反射：折射波中便只有橫波存在（2）橫波全反射：介質(zhì)的分界面上只傳播表面波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律：

（7-3）波型的轉(zhuǎn)換

式中，P0、I0分別為聲源處的聲壓和聲強(qiáng)，P、I分別為距聲源處的聲壓和聲強(qiáng)，為衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）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，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。在平面波的情況下，距離聲源處的聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如下：超聲波的衰減

（7-4）

（7-5）超聲波檢測(cè)中，首先要把超聲波發(fā)射出去，然后再把超聲波接收回來(lái)，變換成電信號(hào)，完成這一工作的裝置就是超聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。二、超聲波傳感器及應(yīng)用超聲波探頭1超聲波探頭圖7-6為壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線等組成。超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用穿透法探傷反射法（脈沖回波法）探傷根據(jù)超聲波穿透工件后，能量的變化狀況來(lái)判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。根據(jù)聲波在工件中反射的情況不同而探測(cè)工件內(nèi)部的情形。

超聲波換能器及耦合技術(shù)

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(cè)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、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。各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見(jiàn)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)膜接插件接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端接觸式斜探頭（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(cè)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各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz接觸法雙晶直探頭

將兩個(gè)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(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。發(fā)射晶片接收晶片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

接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）水浸探頭

（可用自來(lái)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。聚焦探頭由于超聲波的波長(zhǎng)很短（毫米數(shù)量級(jí)），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細(xì)的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來(lái)發(fā)出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來(lái)制作聲透鏡；也可以利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來(lái)聚焦超聲波。

聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭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(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。壓電陶瓷的主要性能指標(biāo)

1)介電常數(shù)：1000~60002)壓電靈敏度D33

：300~600pC/N3)機(jī)械品質(zhì)因素Q：100~20004)居里溫度：300~400C5）靜電容：1000~100000pF（與面積有關(guān)）

6）頻率范圍：用于超聲清洗：30~100KHz

用于探傷儀及流量計(jì)：2.5~5MHz

用于霧化器：1~2MHz耦合劑

超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)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(cè)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(lái)水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。

空氣超聲探頭

a）

超聲發(fā)射器

b）超聲接收器

1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤(pán)4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束

空氣超聲探頭（續(xù)）

空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形（續(xù)）空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器超聲波傳感器的應(yīng)用

當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，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(kāi)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(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。

超聲波傳感器應(yīng)用舉例

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)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè)疊放高度測(cè)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)）物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）紙卷直徑檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）平整度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超長(zhǎng)距離檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）流水線計(jì)數(shù)超聲波傳感器一、超聲波流量計(jì)

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T1測(cè)量流量原理分類

時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)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(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時(shí)間較短

頻率差法測(cè)量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)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(gè)超聲脈沖，它通過(guò)管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)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(cè)流速v成正比。F2F1

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)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）超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波多普勒測(cè)量車速多普勒效應(yīng)前進(jìn)方向的頻率升高

如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小超聲波測(cè)距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

超聲波測(cè)厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度：手持式超聲波測(cè)厚儀某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C~40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚雙晶超聲波測(cè)厚探頭雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）超聲波測(cè)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(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。

超聲波液位計(jì)原理

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開(kāi)關(guān)超聲波測(cè)量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移f。

補(bǔ)充材料無(wú)損探傷無(wú)損探傷

一、無(wú)損探傷的基本概念人們?cè)谑褂酶鞣N材料（尤其是金屬材料）的長(zhǎng)期實(shí)踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來(lái)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。

路軌斷裂事故無(wú)損探傷的方法對(duì)缺陷的檢測(cè)手段有破壞性試驗(yàn)和無(wú)損探傷。由于無(wú)損探傷以不損壞被檢驗(yàn)對(duì)象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無(wú)損檢測(cè)的方法有磁粉檢測(cè)法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測(cè)法、超聲波探傷法等。

磁粉檢測(cè)法磁懸液磁粉檢測(cè)儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測(cè)頭夾持在被測(cè)工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來(lái)