傳感器超聲波傳感器培訓(xùn)課件

傳感器超聲波傳感器概述：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。9/13/20242傳感器超聲波傳感器2.可聞聲波

美妙的音樂可使人陶醉。9/13/20243傳感器超聲波傳感器3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。9/13/20244傳感器超聲波傳感器蝙蝠依靠超聲波捕食9/13/20245傳感器超聲波傳感器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。

超聲波霧化器

超聲波加濕器9/13/20246傳感器超聲波傳感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)9/13/20247傳感器超聲波傳感器超聲波金絲焊接機(jī)9/13/20248傳感器超聲波傳感器超聲波被聚焦后，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9/13/20249傳感器超聲波傳感器超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的

B超影像9/13/202410傳感器超聲波傳感器超聲波用于高效清洗當(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。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。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。9/13/202411傳感器超聲波傳感器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9/13/202412傳感器超聲波傳感器超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

第一節(jié)超聲波物理基礎(chǔ)

9/13/202413傳感器超聲波傳感器

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。9/13/202414傳感器超聲波傳感器聲速、波長和指向性傾斜入射時的反射與折射 超聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的分界面上時產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，類似光學(xué)。垂直入射時的反射與折射兩介質(zhì)聲阻抗相等或接近時，全投射從密度小介質(zhì)射向密度大的介質(zhì)時反射和折射率均大。從密度大介質(zhì)射向密度小的介質(zhì)時反射率大，折射率小聲波在介質(zhì)中的衰減介質(zhì)中的晶體交界面和缺陷界面會引起超聲波散射介質(zhì)質(zhì)點傳導(dǎo)超聲波時，存在彈性滯后及分子內(nèi)摩擦傳播超聲波的材料存在各向異性結(jié)構(gòu)，將發(fā)生散射。9/13/202415傳感器超聲波傳感器

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。9/13/202416傳感器超聲波傳感器各種超聲波探頭

（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：0.5~10MHz，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9/13/202417傳感器超聲波傳感器接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端9/13/202418傳感器超聲波傳感器接觸式斜探頭（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9/13/202419傳感器超聲波傳感器各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz9/13/202420傳感器超聲波傳感器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簡單。

發(fā)射晶片接收晶片9/13/202421傳感器超聲波傳感器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

9/13/202422傳感器超聲波傳感器接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）9/13/202423傳感器超聲波傳感器水浸探頭

（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聚焦或線聚焦。9/13/202424傳感器超聲波傳感器聚焦探頭由于超聲波的波長很短（毫米數(shù)量級），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。9/13/202425傳感器超聲波傳感器聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭9/13/202426傳感器超聲波傳感器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。9/13/202427傳感器超聲波傳感器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：2.5~5MHz用于霧化器：1~2MHz9/13/202428傳感器超聲波傳感器耦合劑

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。在工業(yè)中，經(jīng)常使用耦合劑，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。9/13/202429傳感器超聲波傳感器空氣超聲探頭

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

9/13/202430傳感器超聲波傳感器空氣超聲探頭（續(xù)）

9/13/202431傳感器超聲波傳感器空氣超聲探頭外形9/13/202432傳感器超聲波傳感器空氣超聲探頭外形（續(xù)）9/13/202433傳感器超聲波傳感器空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器9/13/202434傳感器超聲波傳感器第三節(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。

9/13/202435傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例

9/13/202436傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）

9/13/202437傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤檢測9/13/202438傳感器超聲波傳感器疊放高度測量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）9/13/202439傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯誤檢測9/13/202440傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制9/13/202441傳感器超聲波傳感器機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）9/13/202442傳感器超聲波傳感器紙卷直徑檢測超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）9/13/202443傳感器超聲波傳感器平整度測量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）9/13/202444傳感器超聲波傳感器超長距離檢測超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）9/13/202445傳感器超聲波傳感器流水線計數(shù)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）9/13/202446傳感器超聲波傳感器一、超聲波流量計

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)T19/13/202447傳感器超聲波傳感器測量流量原理分類

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。9/13/202448傳感器超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時間較短9/13/202449傳感器超聲波傳感器

頻率差法測量流量原理：

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。F2F19/13/202450傳感器超聲波傳感器

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)9/13/202451傳感器超聲波傳感器同側(cè)式超聲波流量計的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）9/13/202452傳感器超聲波傳感器超聲波流量計現(xiàn)場使用9/13/202453傳感器超聲波傳感器超聲波流量計現(xiàn)場使用9/13/202454傳感器超聲波傳感器超聲波多普勒測量車速9/13/202455傳感器超聲波傳感器多普勒效應(yīng)前進(jìn)方向的頻率升高如果波源和觀察者之間有相對運動，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)。測出

f就可得到運動速度。9/13/202456傳感器超聲波傳感器超聲波多普勒測量風(fēng)速風(fēng)

不同的風(fēng)向引起超聲波的頻率變大或變小9/13/202457傳感器超聲波傳感器超聲波測距

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。9/13/202458傳感器超聲波傳感器超聲波測厚

雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度

：9/13/202459傳感器超聲波傳感器手持式超聲波測厚儀9/13/202460傳感器超聲波傳感器手持式超聲波

測厚儀（續(xù)）9/13/202461傳感器超聲波傳感器手持式超聲波

測厚儀（續(xù)）金屬構(gòu)件測厚9/13/202462傳感器超聲波傳感器某超聲波測厚儀指標(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點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關(guān)機(jī)時間：90秒

電源：二節(jié)七號（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時

使用溫度：-10°C~40°C

存儲溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）9/13/202463傳感器超聲波傳感器超聲波測厚（續(xù)）石料測厚9/13/202464傳感器超聲波傳感器超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚9/13/202465傳感器超聲波傳感器雙晶超聲波測厚探頭9/13/202466傳感器超聲波傳感器雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）9/13/202467傳感器超聲波傳感器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。

9/13/202468傳感器超聲波傳感器超聲波液位計原理1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)根據(jù)顯示波形計算液位9/13/202469傳感器超聲波傳感器超聲波測量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器9/13/202470傳感器超聲波傳感器超聲防盜報警器

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)入信號的有效區(qū)域，相對速度為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。

9/13/202471傳感器超聲波傳感器第四節(jié)無損探傷

一、無損探傷的基本概念人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實踐中，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9/13/202472傳感器超聲波傳感器無損探傷一般有三種含義

無損檢測NDT（NondestructiveTsting）、無損檢查NDI（NondestructiveInspection）和無損評價NDE（NondestructiveEvaluation）。NDT僅僅是檢測出缺陷；NDI則以NDT結(jié)果為判定基礎(chǔ)；而NDE則是對被測對象的完整性、可靠性等進(jìn)行綜合評價。近年來，無損探傷已逐步從NDT向NDE過渡。9/13/202473傳感器超聲波傳感器無損探傷的方法對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，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、超聲波探傷法等。

9/13/202474傳感器超聲波傳感器磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀將磁懸液噴灑在工件表面，將電流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。9/13/202475傳感器超聲波傳感器X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。9/13/202476傳感器超聲波傳感器計算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)探傷（參考中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所資料）

CT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，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。9/13/202477傳感器超聲波傳感器CT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