超聲波傳感器1課件

超聲波傳感器

本章主要學(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，也涉及無損探傷的設(shè)備及方法。2/18/20241.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)。2/18/20242.2.可聞聲波(20～20000HZ）

美妙的音樂可使人陶醉。2/18/20243.3.超聲波

大于20000HZ蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。2/18/20244.蝙蝠依靠超聲波捕食2/18/20245.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2/18/20246.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)2/18/20247.超聲波金絲焊接機(jī)2/18/20248.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2/18/20249.超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的

B超影像2/18/202410.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)。2/18/202411.超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽市醫(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2/18/202412.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。2/18/202413.超聲波的波型分類超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

2/18/202414.縱波2/18/202415.橫波2/18/202416.表面波2/18/202417.

第二節(jié)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。2/18/202418.各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）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2/18/202419.接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端2/18/202420.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2/18/202421.各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz2/18/202422.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2/18/202423.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

2/18/202424.接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）2/18/202425.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。2/18/202426.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發(fā)出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也可以利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。

2/18/202427.聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭2/18/202428.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。2/18/202429.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：300~400

C5）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：1~2MHz2/18/202430.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水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。

2/18/202431.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4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束

2/18/202432.空氣超聲探頭（續(xù)）2/18/202433.空氣超聲探頭外形2/18/202434.空氣超聲探頭外形（續(xù)）2/18/202435.空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器2/18/202436.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(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。

2/18/202437.超聲波傳感器應(yīng)用舉例2/18/202438.超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202439.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)2/18/202440.疊放高度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202441.超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)2/18/202442.超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制2/18/202443.機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202444.紙卷直徑檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202445.平整度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202446.超長(zhǎng)距離檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202447.流水線計(jì)數(shù)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）2/18/202448.一、超聲波流量計(jì)F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)T12/18/202449.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。2/18/202450.F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時(shí)間較短2/18/202451.

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(gè)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(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。F2F12/18/202452.

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)2/18/202453.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）2/18/202454.超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用2/18/202455.超聲波多普勒測(cè)量車速2/18/202456.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。2/18/202457.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2/18/202458.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，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。

2/18/202459.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，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)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度

：2/18/202460.手持式超聲波測(cè)厚儀2/18/202461.某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）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）2/18/202462.超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚2/18/202463.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2/18/202464.雙晶超聲波測(cè)厚探頭2/18/202465.雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）2/18/202466.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