機(jī)械儀表超聲波傳感器

機(jī)械儀表超聲波傳感器第1頁(yè)/共134頁(yè)第七章超聲波傳感器本章介紹超聲波的物理基礎(chǔ)，超聲波換能器的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)，耦合技術(shù)等，介紹超聲波在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，也涉及無(wú)損探傷的原理、方法及設(shè)備。第2頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1437.1超聲波物理基礎(chǔ)7.2超聲波換能器及耦合技術(shù)7.3超聲波傳感器的應(yīng)用7.4無(wú)損探傷第七章超聲波傳感器目錄進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入第3頁(yè)/共134頁(yè)第一節(jié)超聲波的物理基礎(chǔ)

聲波的分類(lèi)：次聲波、可聞聲波與超聲波。

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱(chēng)為超聲波。超聲波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超聲波的能量,相當(dāng)于振幅相同,頻率為1000Hz可聞聲波的100萬(wàn)倍,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。第4頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/145第5頁(yè)/共134頁(yè)2.可聞聲波（20Hz~20kHz）

美妙的音樂(lè)可使人陶醉。

280Hz~2560Hz頻率段稱(chēng)為中高聲頻。小提琴約有四分之一的較高音域在此頻段。第6頁(yè)/共134頁(yè)3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽(tīng)見(jiàn)超聲波。第7頁(yè)/共134頁(yè)蝙蝠依靠超聲波定位第8頁(yè)/共134頁(yè)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

超聲波加濕器第9頁(yè)/共134頁(yè)

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)第10頁(yè)/共134頁(yè)超聲波金絲焊接機(jī)第11頁(yè)/共134頁(yè)

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(lèi)似于光波。便攜式超聲波探魚(yú)器第12頁(yè)/共134頁(yè)超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的B超影像第13頁(yè)/共134頁(yè)大功率超聲波用于高效清洗當(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。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(chēng)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)。第14頁(yè)/共134頁(yè)超聲波清洗原理及清洗器

超聲換能器氣泡波浪清洗物第15頁(yè)/共134頁(yè)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(chēng)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。第16頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的波型分類(lèi)

1－超聲波發(fā)生器2－鋼材縱波縱波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向表面波在鋼材表面的傳播縱波在鋼材中的傳播

橫波

第17頁(yè)/共134頁(yè)縱波（疏密波）縱波。在介質(zhì)中傳播時(shí)，

波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致。第18頁(yè)/共134頁(yè)橫波

橫波也稱(chēng)“凹凸波”，是介質(zhì)粒子振動(dòng)方向和波行進(jìn)方向垂直的一種波。也稱(chēng)S波,若此波沿著x軸移動(dòng)，則振動(dòng)方向?yàn)榕cx軸垂直的方向上。第19頁(yè)/共134頁(yè)表面波能量集中于表面附近的彈性波。地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通信及廣播電視中的信號(hào)處理、航空航天、石油勘探和無(wú)損檢測(cè)等。第20頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的指向角幾種常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關(guān)系（環(huán)境溫度為0℃）材料密度聲阻抗縱波聲速橫波聲速ρ/103kg·m-1Z

/MPa·s·m-1cL/km·s-1cS/km·s-1鋼7.74605.93.2銅8.94204.72.2鋁2.71706.33.1有機(jī)玻璃1.18322.71.20甘油1.27241.9—水(20℃)1.014.81.48—機(jī)油0.912.81.4—空氣0.00124×10-30.34—第21頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1422超聲波的指向角超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散，聲場(chǎng)指向性及指向角如圖所示。在聲束橫截面的中心軸線(xiàn)上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。指向角θ（單位為rad）與超聲源的直徑D以及波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為第22頁(yè)/共134頁(yè)超聲波入射角與反射角、折射角Pc－入射波α－入射角Pr－反射波αr－反射角Ps－折射波β－折射角第23頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的反射定律超聲波入射角α的正弦與反射角α

r的正弦之比，等于入射波所處介質(zhì)的聲速c1與反射波所處介質(zhì)的聲速cr之比，即：sinα/sinαr=c1/cr如果出射波的波型與入射波的波型都是縱波，則αr=α。第24頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的折射定律入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于超聲波在入射波所處介質(zhì)1的聲速c1與折射波所處介質(zhì)2中的傳播速度cs之比，即sinα/sinβ

=

c1

/cs在上圖中，折射角大于入射角，說(shuō)明第二介質(zhì)的聲速cs大于第一介質(zhì)的聲速c1（與密度有關(guān)）。第25頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的反射率與折射率

當(dāng)聲波垂直入射到光滑的界面上時(shí)的示意圖如圖所示，入射聲壓pi、反射聲壓pr、透射聲壓pd三者之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：pi+

pr=

pd反射波和透射波聲壓的比例與組成界面的兩種介質(zhì)的聲阻抗Z有關(guān)。界面一側(cè)的總聲壓等于另一側(cè)的總聲壓，壓強(qiáng)處于平衡狀態(tài)。將反射聲壓pr與入射波聲壓pi之比稱(chēng)為聲壓反射率γ。

與此對(duì)應(yīng)，透射波聲壓pd與入射波聲壓pi之比稱(chēng)為聲壓透射率d：Z1——介質(zhì)1的聲阻抗；Z2——介質(zhì)2的聲阻抗第26頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的反射率與折射率的討論

1）當(dāng)介質(zhì)1與介質(zhì)2的聲阻抗相等或十分接近時(shí)，γ=0，d=1。即不產(chǎn)生反射波，可以視為全透射。2）當(dāng)超聲波從聲阻抗（Z1）低的介質(zhì)射向聲阻抗（Z2）高的介質(zhì)時(shí)，反射聲壓pr與入射聲壓pi相位相同，但透射聲壓pd卻大于入射聲壓pi（能量仍然守恒）

。3）當(dāng)超聲波從聲阻抗（Z1）大的介質(zhì)射向聲阻抗（Z2）小的介質(zhì)時(shí)，反射聲壓pr與入射聲壓pi相位相反，且透射聲壓pd小于入射聲壓pi。第27頁(yè)/共134頁(yè)例：當(dāng)超聲波從水中入射到鋼板與水的界面時(shí)，求反射率γ、透射率d。解

查表7-1可得，Z水=14.8MPa·s·m-1，Z鋼=460MPa·s·m-1，則有

以上計(jì)算說(shuō)明，超聲波從聲阻抗小的材料（密度通常也較?。?，入射到聲阻抗大的材料（密度通常也較大，例如鋼）時(shí)，透射聲壓反而增大。本例中，透射率d高達(dá)193.8%，而反射率也較大，γ達(dá)93.8%，必須予以吸收，才不至于造成干擾。注：透射聲強(qiáng)Id仍然小于入射聲強(qiáng)Ii，而且遵守能量守恒定律：I

d+I

r

=Ii第28頁(yè)/共134頁(yè)

水浸探頭在水中將超聲波耦合到

鋼板中的反射率與透射率

第29頁(yè)/共134頁(yè)水浸探頭在水中將超聲波耦合到鋼板中的反射率與透射率

例：上例中，當(dāng)超聲波已經(jīng)在鋼板中傳播了一段距離l，并到達(dá)鋼板底面時(shí)，若底面是鋼、水界面，再求反射率γ2及透射率d2。解：與上題相反，Ｚ2＝Ｚ水，Ｚ1＝Ｚ鋼，所以有：以上計(jì)算表明，超聲波從聲阻抗大的材料透射到聲阻抗小的材料時(shí)，聲壓的大部分被反射。本例中，反射率γ高達(dá)93.8%，透射到水中的聲壓pd1只有6.2%。如果鋼板的底面是與空氣交界時(shí)，則泄漏量就更小了。超聲波的這一特性有利于金屬探傷和測(cè)厚。第30頁(yè)/共134頁(yè)超聲波在介質(zhì)中的衰減

以固體介質(zhì)為例，設(shè)超聲波進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的聲強(qiáng)為Ii，通過(guò)一定距離x的介質(zhì)后的聲強(qiáng)衰減為Ix，衰減系數(shù)為K，則有：Ix=

Iie

-K

x介質(zhì)的晶粒越粗或密度越小，K就越大，衰減就越快；頻率越高，衰減也越快。氣體的密度很小,因此衰減較快，因此在空氣中傳導(dǎo)的超聲波的頻率選得較低，約數(shù)十千赫。而在固體、液體中則選用較高的超聲頻率（MHz數(shù)量級(jí)）。

1－超聲探頭2－耦合劑3－試件4－被測(cè)試點(diǎn)第31頁(yè)/共134頁(yè)

第二節(jié)超聲波換能器及耦合技術(shù)

a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭1－接插件2－外殼3－阻尼吸收塊4－引線(xiàn)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－耦合劑11－試件回目錄第32頁(yè)/共134頁(yè)

超聲波換能器（超聲探頭）的外形超聲波換能器又稱(chēng)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(zhuān)用探頭等。

第33頁(yè)/共134頁(yè)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)膜接插件第34頁(yè)/共134頁(yè)接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端保護(hù)膜被測(cè)物上表面耦合劑第35頁(yè)/共134頁(yè)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第36頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1437瑞利波和蘭姆波

瑞利波：一種界面彈性波。是沿半無(wú)限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫āＳ蒐.瑞利于1887年首先指出其存在而得名。地震學(xué)中稱(chēng)其為R波或L波。在表層附近，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓；在離表面為0.2個(gè)波長(zhǎng)的深度以下，其運(yùn)動(dòng)軌跡仍為橢圓,但運(yùn)動(dòng)方向與表層相反。蘭姆波：因物體兩平行表面所限而形成的縱波與橫波組合的波，它在整個(gè)物體內(nèi)傳播，質(zhì)點(diǎn)作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)。多用于金屬薄板的無(wú)損探傷。選擇較短波長(zhǎng)的蘭姆波有利于缺陷的檢出。第37頁(yè)/共134頁(yè)各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz第38頁(yè)/共134頁(yè)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)準(zhǔn)確度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路簡(jiǎn)單。

發(fā)射晶片接收晶片第39頁(yè)/共134頁(yè)各種雙晶直探頭

焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，在鋼中的折射角：45~70

第40頁(yè)/共134頁(yè)接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）第41頁(yè)/共134頁(yè)

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(xiàn)聚焦。第42頁(yè)/共134頁(yè)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(lèi)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(chēng)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(lèi)似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來(lái)聚焦超聲波。第43頁(yè)/共134頁(yè)聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭第44頁(yè)/共134頁(yè)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。第45頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1446第46頁(yè)/共134頁(yè)超聲波探頭不能直接在被測(cè)物表面摩擦，

必須在探頭和被測(cè)物表面之間加入耦合劑第47頁(yè)/共134頁(yè)耦合劑的

種類(lèi)和選擇

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。在工業(yè)中，經(jīng)常使用耦合劑，使之充滿(mǎn)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、膠水、化學(xué)漿糊等。第48頁(yè)/共134頁(yè)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

第49頁(yè)/共134頁(yè)空氣超聲探頭（續(xù)）

第50頁(yè)/共134頁(yè)空氣超聲探頭外形第51頁(yè)/共134頁(yè)空氣超聲探頭外形（續(xù)）第52頁(yè)/共134頁(yè)空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器第53頁(yè)/共134頁(yè)第三節(jié)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(lèi)型稱(chēng)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。反射型超聲波傳感器可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等?；啬夸浀?4頁(yè)/共134頁(yè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例

第55頁(yè)/共134頁(yè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）

第56頁(yè)/共134頁(yè)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)第57頁(yè)/共134頁(yè)疊放高度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）第58頁(yè)/共134頁(yè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)第59頁(yè)/共134頁(yè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制第60頁(yè)/共134頁(yè)機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）第61頁(yè)/共134頁(yè)紙卷直徑檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）第62頁(yè)/共134頁(yè)平整度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）第63頁(yè)/共134頁(yè)超長(zhǎng)距離檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）第64頁(yè)/共134頁(yè)流水線(xiàn)計(jì)數(shù)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）第65頁(yè)/共134頁(yè)超聲波流量計(jì)

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T1F2發(fā)射的超聲波后到達(dá)

T2第66頁(yè)/共134頁(yè)測(cè)量流量原理分類(lèi)

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。第67頁(yè)/共134頁(yè)F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時(shí)間較短第68頁(yè)/共134頁(yè)

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第69頁(yè)/共134頁(yè)

頻率差法測(cè)量流量分析過(guò)程首先由F1順流發(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，F(xiàn)2的輸出電壓經(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，以此類(lèi)推。在第一個(gè)時(shí)間段t1里，F(xiàn)1的脈沖重復(fù)頻率為式中α

——超聲波束與流體的夾角；

v

——流體的流速；

D

——管道的直徑第70頁(yè)/共134頁(yè)

頻率差法測(cè)量流量過(guò)程分析（續(xù)）在緊接下去的另一個(gè)相同的時(shí)間間隔t2(t2=t1)內(nèi),與上述過(guò)程相反,由F2逆流發(fā)射超聲脈沖,而F1接收脈沖?？梢詼y(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為：若不考慮管道的壁厚，則超聲脈沖的重復(fù)頻率差Δ

f與流速v成正比：而與聲速無(wú)關(guān)，減小了溫漂。頻率法測(cè)得的流速v約等于管道截面的平均流速，所以體積流量qV為：第71頁(yè)/共134頁(yè)

多普勒法測(cè)量流量所謂多普勒效應(yīng)（Dopplereffect）是指運(yùn)動(dòng)物體迎著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高；當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體背著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。物體的速度越快,所產(chǎn)生的頻偏效應(yīng)就越大。產(chǎn)生的頻偏fd與波源、移動(dòng)物體兩者之間的相對(duì)速度v及方向有關(guān)。多普勒效應(yīng)廣泛存在于光波(電磁波)、聲波等物理現(xiàn)象中。第72頁(yè)/共134頁(yè)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。第73頁(yè)/共134頁(yè)水波的多普勒效應(yīng)示意波源向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，前進(jìn)方向的波長(zhǎng)變短，頻率升高波源向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，右側(cè)表面波被壓縮第74頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1475多普勒效有關(guān)波形.第75頁(yè)/共134頁(yè)

多普勒法測(cè)量流量示意圖第76頁(yè)/共134頁(yè)

多普勒法測(cè)量流量的計(jì)算超聲探頭F1向流體發(fā)出頻率為f1的連續(xù)超聲波，照射到液體中的散射體（懸浮顆?；驓馀荩為散射體的運(yùn)動(dòng)速度，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收探頭F2接收到頻率為f2的超聲波：多普勒頻移fd正比于散射體的流動(dòng)速度v：

折算出平均流速，再乘以管道的截面積A，才等于被測(cè)體積的流量。

當(dāng)被測(cè)雜質(zhì)斷斷續(xù)續(xù)時(shí)，就必須在放大電路之后，引入鎖相環(huán)，鎖存住粒子斷續(xù)之前的fd。第77頁(yè)/共134頁(yè)

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)第78頁(yè)/共134頁(yè)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）第79頁(yè)/共134頁(yè)超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用第80頁(yè)/共134頁(yè)超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用第81頁(yè)/共134頁(yè)超聲波的多普勒效應(yīng)可以用于測(cè)量車(chē)速

現(xiàn)在更多地使用高頻雷達(dá)電子測(cè)速第82頁(yè)/共134頁(yè)超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速順風(fēng)方向（頻率增加）

不同的風(fēng)向引起兩對(duì)超聲波的頻率變大或變小。經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算可以得到風(fēng)速和風(fēng)向。發(fā)射器接收器發(fā)射器接收器第83頁(yè)/共134頁(yè)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。

第84頁(yè)/共134頁(yè)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：第85頁(yè)/共134頁(yè)手持式超聲波測(cè)厚儀第86頁(yè)/共134頁(yè)手持式超聲波

測(cè)厚儀（續(xù)）第87頁(yè)/共134頁(yè)手持式超聲波

測(cè)厚儀（續(xù)）金屬構(gòu)件測(cè)厚第88頁(yè)/共134頁(yè)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/s自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90s電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池可連續(xù)工作不少于72h使用溫度：-10~40℃存儲(chǔ)溫度：-20~70℃外形尺寸：108×61×25mm重量：230g（含電池）第89頁(yè)/共134頁(yè)超聲波測(cè)厚（續(xù)）石料測(cè)厚第90頁(yè)/共134頁(yè)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)厚第91頁(yè)/共134頁(yè)雙晶超聲波測(cè)厚探頭第92頁(yè)/共134頁(yè)雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）第93頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1494利用空氣傳導(dǎo)的超聲波發(fā)射器向下發(fā)射一個(gè)短時(shí)脈沖，單片機(jī)立即轉(zhuǎn)向等待反射波。當(dāng)另一個(gè)空氣傳導(dǎo)的超聲波探頭接收到反射波后并經(jīng)放大后，單片機(jī)立即響應(yīng)中斷，處理中斷子程序。計(jì)算出發(fā)射到接收的時(shí)間t，按右式計(jì)算出探頭與人體頭部之間的距離x，就可以得到人的身高h(yuǎn)。應(yīng)變測(cè)重傳感器器安裝在腳底部的踏板上。超聲波非接觸式測(cè)量人的身高

原理示意圖xh第94頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1495單片機(jī)可以扣除頭發(fā)的影響，但皮鞋的高度較難自動(dòng)扣除第95頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1496超聲波測(cè)量人的身高的參考電路.第96頁(yè)/共134頁(yè)2023/4/1497超聲波測(cè)量人的身高設(shè)備的外形及流程圖.第97頁(yè)/共134頁(yè)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。

第98頁(yè)/共134頁(yè)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)

第99頁(yè)/共134頁(yè)

例超聲波液位計(jì)原理如圖所示，從顯示屏上測(cè)得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底與超聲探頭的間距h2為10m，反射小板與探頭的間距h0為0.34m，求液位h。解：

所以液位h為h=h2-h1=(10-0.95)m=9.05m第100頁(yè)/共134頁(yè)超聲波測(cè)量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器第101頁(yè)/共134頁(yè)超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下半部分為接收電路。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。

第102頁(yè)/共134頁(yè)第四節(jié)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(lèi)帶來(lái)許多災(zāi)難事故。涉及艦船、飛機(jī)、軸類(lèi)、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。

路軌斷裂事故回目錄第103頁(yè)/共134頁(yè)無(wú)損探傷一般有三種含義

無(wú)損檢測(cè)NDT（NondestructiveTsting）、無(wú)損檢查NDI（NondestructiveInspection）和無(wú)損評(píng)價(jià)NDE（NondestructiveEvaluation）。NDT僅僅是檢測(cè)出缺陷；NDI則以NDT結(jié)果為判定基礎(chǔ)；而NDE則是對(duì)被測(cè)對(duì)象的完整性、可靠性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。近年來(lái)，無(wú)損探傷已逐步從NDT向NDE過(guò)渡。第104頁(yè)/共134頁(yè)簡(jiǎn)介無(wú)損探傷的幾種方法對(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(xiàn)（X光、中子）照相檢測(cè)法、超聲波探傷法等。

第105頁(yè)/共134頁(yè)磁粉檢測(cè)法（對(duì)內(nèi)部裂紋的檢測(cè)靈敏度不高）磁懸液磁粉檢測(cè)儀

將磁懸液噴灑在工件表面，將電流檢測(cè)頭壓在在被測(cè)工件上，通以百安培的電流，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)。第106頁(yè)/共134頁(yè)X光探傷（有輻射危險(xiǎn)）

將X光發(fā)生器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)位置，將感光片貼在物體背面，人離開(kāi)后接通高電壓，產(chǎn)生X光，透過(guò)被測(cè)鋼構(gòu)件，成像到感光片上。將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷。

使用CCD光電圖像傳感器，可以直接將成像結(jié)果顯示在電腦屏幕上。第107頁(yè)/共134頁(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)探傷CT

是基于射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用原理，通過(guò)投影重建方法獲取被檢測(cè)物體的數(shù)字圖像，解決了傳統(tǒng)X射線(xiàn)攝影裝置的影像重疊、密度分辨率低等缺點(diǎn)。第108頁(yè)/共134頁(yè)CT探傷成像（參考中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所資料）第109頁(yè)/共134頁(yè)超聲波探傷

超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損探傷手段。它既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)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耦合劑第110頁(yè)/共134頁(yè)A型超聲波探傷儀第111頁(yè)/共134頁(yè)A型超聲波探傷儀示意圖1－電纜插頭座2－工作方式選擇3－衰減細(xì)調(diào)4－衰減粗調(diào)5－發(fā)射波T6－第一次底反射波B17－第二次底反射波B28－第五次底反射波B5