傳感器技術(shù)及應(yīng)用第五章超聲波傳感器培訓(xùn)教材

第5章超聲波傳感器

5.1超聲檢測的物理基礎(chǔ)5.2超聲波探頭5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用

5.1超聲檢測的物理基礎(chǔ)振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在20～2104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于20Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，如圖5-1所示。5.1.1波的反射和折射當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同時，波速相等，入射角即等于反射角'，如圖5-2所示。當(dāng)波在界面外產(chǎn)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即下一頁返回5.1超聲檢測的物理基礎(chǔ)(5-1)5.1.2超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面?zhèn)鞑?。?dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)(固體)的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射，如圖5-3所示。在一定條件下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律，即上一頁下一頁返回5.1超聲檢測的物理基礎(chǔ)在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強I的衰減規(guī)律如下(5-3)(5-4)式中p0、I0——距聲源x=0處的聲壓和聲強；e——自然對數(shù)的底；——衰減系數(shù)，單位為Np/cm(奈培/厘米)。

上一頁返回5.2超聲波探頭超聲波探頭是實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。圖5-4所示為壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換。返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用

5.3.1超聲波測厚度超聲波檢測厚度的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等。圖5-5所示為脈沖回波法檢測厚度的工作原理。超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器控制發(fā)射電路，使探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)被測物體底面反射回來，該脈沖信號又被探頭接收，經(jīng)放大器放大加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標(biāo)記發(fā)生器輸出時間標(biāo)記脈沖信號，同時加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上。而掃描電壓則加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此，在示波器上可直接讀出發(fā)射與接收超聲波之間的時間間隔t。被測物體的厚度h為h=ct/2(5-5)式中c——超聲波的傳播速度。下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用我國20世紀(jì)60年代初期自行設(shè)計了CCH-J-1型表頭式超聲波測厚儀，近期又采用集成電路制成數(shù)字式超聲波測厚儀，其體積小到可以握在手中，重量不到1kg，精度可達(dá)0.01mm。5.3.2超聲波測液位在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位、水位等的液位測量。圖5-6所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲脈沖通過介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)液面反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質(zhì)中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。根據(jù)傳聲方式和使用探頭數(shù)量的不同，可以分為單探頭液介式、單探頭氣介式、單探頭固介式和雙探頭液介式等數(shù)種。上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用在生產(chǎn)實踐中，有時只需要知道液面是否升到或降到某個或幾個固定高度，則可采用圖5-7所示的超聲波定點式液位計，實現(xiàn)定點報警或液面控制。圖5-7(a)、(b)為連續(xù)波阻抗式液位計的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當(dāng)探頭發(fā)射面分別與氣體或液體接觸時，發(fā)射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個處于諧振狀態(tài)的超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖5-7(c)、(d)為連續(xù)波透射式液位計示意圖。圖中相對安裝的兩個探頭，一個發(fā)射，另一個接收。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)生頻率較高的超聲波時，只有在兩個探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達(dá)到探頭的高度。上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用5.3.3超聲波測流量利用超聲波測流量對被測流體并不產(chǎn)生附加阻力，測量結(jié)果不受流體物理和化學(xué)性質(zhì)的影響。超聲波在靜止和流動流體中的傳播速度是不同的，從而可以測量流量的工作原理如圖5-8所示。圖中v為流體的平均流速，為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角，A、B為兩個超聲波探頭，L為其間隔距離。1.時差法測流量采用測量兩接頭超聲波傳播時間和相位上的變化等方法，可求得流體的流速和流量。圖5-8所示為超聲波測流體流量原理圖。當(dāng)A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，超聲波傳播速度為c+vcos，于是順流傳播時間t1為上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用(5-6)式中c——超聲波在靜止流體中的速度。當(dāng)B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，超聲波傳播速度為c-vcos，于是逆流傳播時間t2為

(5-7)時差

(5-8)由于c《v，于是式(5-8)可近似為

上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用(5-9)流體的平均流速為(5-10)該測量方法精度取決于Δt的測量精度，同時應(yīng)注意c并不是常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。2.相位差法測流量當(dāng)A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，接收信號相對發(fā)射信號的相位角φ1(當(dāng)φ1很小時)為(5-11)式中ω——超聲波的角頻率。上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，接收信號相對發(fā)射超聲波的相位角φ2為(5-12)相位差(5-13)同樣由于c《v，于是式(5-13)可近似為(5-14)流體的平均流速為(5-15)上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用該法以測相位角代替上一種方法的精確測量時間，因而可以進(jìn)一步提高測量精度。3.頻率差法測流量當(dāng)A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，超聲波的重復(fù)頻率f1為(5-16)當(dāng)B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，超聲波的重復(fù)頻率f2為(5-17)頻率差(5-18)上一頁下一頁返回5.3超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用流體的平均流速為(5-19)當(dāng)管道結(jié)構(gòu)尺寸和探頭安裝位置一定時，式(5-19)中L/2cos為常數(shù)，v直接與Δf有關(guān)，而與c值無關(guān)。可見該法將能獲得更高的測量精度。超聲波檢測的應(yīng)用十分廣泛。除上述應(yīng)用外，還廣泛用于無損檢測。由換能器構(gòu)成的聲納，可探測海洋艦船、礁石和魚群等。上一頁返回圖5-1超聲波的頻率界限圖

返回圖5-2聲波的反射和折射

返回圖5-3波型轉(zhuǎn)換圖

—入射波；1—反射縱波；