[机械 仪表]超声波传感器.ppt

机电类 自动检测技术及应用 多媒体课件 （共13章，第七章） 统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 或 2012年7月版 Date1 第七章 超声波传感器 本章介绍超声波的物理基础，超声波 换能器的分类、结构，耦合技术等，介 绍超声波在检测技术中的应用，也涉及 无损探伤的原理、方法及设备。 *2 7.1 超声波物理基础 7.2 超声波换能器及耦合技术 7.3 超声波传感器的应用 7.4 无损探伤 第七章 超声波传感器 目录 进入 进入 进入 进入 *3 第一节 超声波的物理基础 声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。 超声波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超声 波的能量,相当于振幅相同,频率为1000Hz可闻声波的100 万倍,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。在遇到两种 介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时,能产生明显 的反射和折射现象。Date4 1.次声波 次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不 到，但可与人体器官发生共振，8Hz左右的次声 波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致 心脏停止跳动。 次声波炸弹 Date5 2.可闻声波（ 20Hz20kHz） 美妙的音乐可使人陶醉。 280Hz25 60Hz频率段 称为中高声 频。小提琴 约有四分之 一的较高音 域在此频段 。 Date6 3.超声波 蝙蝠能 发出和听 见超声波 。 Date7 蝙蝠依靠超声波定位 Date8 超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量 集中的特点。 超声波雾化器 超声波加湿器 Date9 压电陶瓷或磁致 伸缩材料在高电压 窄脉冲作用下，可 得到较大功率的超 声波，可以被聚焦 ，能用于集成电路 及塑料的焊接。 超声波塑料焊接机 Date10 超声波金丝 焊接机 Date11 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在 遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射 和折射现象，这一现象类似于光波。 便携式超声波 探鱼器 Date12 超声波在医学检查 中的应用 胎儿 的 B超 影像 Date13 大功率超声波用于高效清洗 当强的声波信号作用于液体时，则会对液体 产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液 体中形成的微小气泡被压碎。 每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波， 相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大 气压的压力，这种现象被称之为“空化作用” ，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生 的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作 用。 超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗 仪器等行业。 Date14 超声波清洗原理及清洗器 超声换能器 气泡 波浪 清洗物 Date15 第一节 超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超 声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿 透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损 失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢 板与空气的交界面）时，能产生明显的反射 和折射现象，超声波的频率越高，其声场指 向性就愈好。 Date16 超声波的波型分类 1超声波发生器 2钢材 纵波 纵波质点的运动方向 表面波在钢材表面的传播 纵波在钢材中的传播 横波 Date17 纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时， 波的传播方向与质点振动方向一致。 Date18 横波 横波也称“凹凸波” ，是介质粒子振动方 向和波行进方向垂直 的一种波。也称S波,若 此波沿着x轴移动，则 振动方向为与x轴垂直 的方向上。 Date19 表面波 能量集中于表面附近的弹性波。地震学、天文学 、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、 石油勘探和无损检测等。 Date20 超声波的指向角 几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系 （环境温度为0） 材料密度声阻抗纵波声速横波声速 /103kgm- 1 Z /MPas m-1 cL/kms-1cS/kms-1 钢7.74605.93.2 铜8.94204.72.2 铝2.71706.33.1 有机玻璃1.18322.71.20 甘油1.27241.9 水 (20 ) 1.014.81.48 机油0.912.81.4 空气0.0012410-30.34 Date21 超声波的指向角 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外 扩散，声场指向性及指向角如图所示。在声束横截面 的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大 而减小。指向角（单位为rad）与超声源的直径D以 及波长之间的关系为 Date22 超声波入射角与反射角、折射角 Pc入射波 入射角 Pr反射波 r反射角 Ps折射波 折射角 Date23 超声波的反射定律 超声波入射角的正弦与反射角 r的正弦之比，等于 入射波所处介质的声速c1与反射波所处介质的声速cr之 比，即：sin/sinr=c1/cr 如果出射波的波型与入射波的波型都是纵波， 则r=。 Date24 超声波的折射定律 入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于超声波 在入射波所处介质1的声速c1与折射波所处介质2中的传 播速度cs之比，即 sin/sin = c1 /cs 在上图中，折射角大于入射角，说明第二介质的声 速cs大于第一介质的声速c1（与密度有关）。 Date25 超声波的反射率与折射率 当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所 示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满 足如下关系： p i+ pr = pd 反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质 的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总声 压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声压pi 之比称为声压反射率。 与此对应，透射波声压pd 与入射波声压pi之比称为声压透射率d： Z1介质1的声阻抗；Z2介质2的声阻抗 Date26 超声波的反射率与折射率的讨论 1）当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时， =0，d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。 2）当超声波从声阻抗（Z1）低的介质射向声阻抗（ Z2）高的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相同， 但透射声压pd却大于入射声压p i （能量仍然守恒） 。 3）当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（ Z2）小的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相反， 且透射声压pd小于入射声压pi。 Date27 例：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时 ，求反射率、透射率d。 解 查表7-1可得，Z水=14.8MPasm-1， Z钢=460MPasm-1，则有 以上计算说明，超声波从声阻抗小的材料（密度通常 也较小），入射到声阻抗大的材料（密度通常也较大， 例如钢）时，透射声压反而增大。本例中，透射率d高 达193.8%，而反射率也较大，达93.8%，必须予以吸收 ，才不至于造成干扰。 注：透射声强Id仍然小于入射 声强I i，而且遵守能量守恒定 律： I d +I r =Ii Date28 水浸探头在水中将超声波耦合到 钢板中的反射率与透射率 Date29 水浸探头在水中将超声波耦合到钢板中的 反射率与透射率 例： 上例中，当超声波已经在钢板中传播了一段距 离l，并到达钢板底面时，若底面是钢、水界面，再求 反射率2及透射率d2。 解：与上题相反， 2水， 1钢，所以有： 以上计算表明，超声波从声阻抗大的材料透射到声阻 抗小的材料时，声压的大部分被反射。本例中，反射率 高达93.8%，透射到水中的声压pd1只有6.2%。如果钢 板的底面是与空气交界时，则泄漏量就更小了。超声波 的这一特性有利于金属探伤和测厚。 Date30 超声波在介质中的衰减 以固体介质为例，设超声波 进入介质时的声强为Ii， 通过一定距离x的介质后的 声强衰减为Ix，衰减系数为K， 则有：Ix= I ie -K x 介质的晶粒越粗或密度越小，K 就越大，衰减就越快 ；频率越高，衰减也越快。气体的密度很小,因此衰减 较快，因此在空气中传导的超声波的频率选得较低，约 数十千赫。而在固体、液体中则选用较高的超声频率（ MHz数量级）。 1超声探头 2耦合剂 3试件 4被测试点 Date31 第二节 超声波换能器及耦合技术 a）单晶直探头 b）双晶直探头 c）斜探头 1接插件 2外壳 3阻尼吸收块 4引线 5压电晶体 6保护膜 7隔离层 8延迟块 9有机玻璃斜楔块 10耦合剂 11试件 回目录 Date32 超声波换能器（超声探头）的外形 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作 原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技 术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探 头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸 探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。 Date33 各种超声波探头 常用频率范围：0.510MHz， 常见晶片直径：530mm 接触式直探头（ 纵波垂直入射到 被检介质） 外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。 保护膜 接插件 Date34 接触式 直探头原理 超声脉冲 电压输入端 接地端 保护膜 被测物上表面 耦合剂 Date35 接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、 45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料 的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度 的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而 传播到较远处去。 底部耐磨材料 接插件 Date36 瑞利波和兰姆波 瑞利波：一种界面弹性波。是沿半无限弹性介质 自由表面传播的偏振波 。由 L.瑞利于 1887 年首先指 出其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表 层附近，质点的运动轨迹为椭圆； 在离表面为 0.2 个波长的 深度以下，其运动轨迹仍为 椭圆,但运动方向与表层相反。 兰姆波： 因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的 波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动。多 用于金属薄板的无损探伤。选择较短波长的兰姆波有 利于缺陷的检出。 Date37 各种接触式斜探头 常用频率范围：15MHz Date38 接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合 装配在同一壳体内，其 中一片发射超声波，另 一片接收超声波。两晶 片之间用一片吸声性能 强、绝缘性能好的薄片 加以隔离。 双晶探头的结构虽然 复杂些，但检测准确度 比单晶直探头高，且超 声信号的反射和接收的 控制电路简单。 发射晶片接收晶片 Date39 各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围：2.55MHz ，在钢中的折射角：45 70 Date40 接触法双晶斜探头（续） Date41 水浸探头 （可用自来水作为耦合剂） 选择声 透镜形状，可 决定聚焦形式 为点聚焦或线 聚焦。 Date42 聚焦探头 由于超声波的波长很短（毫米数量级）， 所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声 束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中 细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声 波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声 透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作 声凹面镜来聚焦超声波。 Date43 聚焦探头原理及外形 水浸聚焦探头 Date44 超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用 逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动 波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压 电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电 压。 Date45 压电陶瓷的主要性能指标 (1) 介电常数 ：10006000 (2) 压电灵敏度D33 ：300600pC/N ( 3) 机械品质因素Q：1002000 (4) 居里温度：300400 (5）静电容：1000 100000pF（与面积有关） ( 6）频率范围(与压电陶瓷的宽厚比有关)： 用于超声清洗：30100kHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：12MHz Date46 超声波探头不能直接在被测物表面摩擦， 必须在探头和被测物表面之间加入耦合剂 Date47 耦合剂 的 种类和选择 超声探头与被测物体接触时，探头与被 测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起 三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并 造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的 空气排挤掉。 在工业中，经常使用耦合剂，使之充满 在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的 耦合剂有自来水、机油、甘油、胶水、化学浆 糊等。 Date48 空气超声探头 a） 超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波 束 Date49 空气超声探头（续） Date50 空气超声探头外形 Date51 空气超声探头外形（续） Date52 空气传导超声波电脉冲发生器 Date53 第三节 超声波传感器的应用 当超声发射器与 接收器分别置于被 测物两侧时，这种 类型称为透射型。 透射型可用于遥控 器、防盗报警器、 接近开关等。超声 发射器与接收器置 于同侧的属于反射 型。 反射型超声波传感器可用于接 近开关、测距、测液位或物位 、金属探伤以及测厚等。 回目录 Date54 超声波传感器应用举例 Date55 超声波传感器应用举例（续） Date56 超声波传感器应用举例（续） 质量检查 紧固件的安装错误检测 Date57 叠放高度测量 超声波传感器应用举例（续） Date58 超声波传感器应用举例（续） 物件放置错误检测 Date59 超声波传感器应用举例（续） 透明塑料张力控制 Date60 机械手定位 超声波传感器应用举例（续） Date61 纸卷直径检测 超声波传感器 应用举例（续） Date62 平整度测量 超声波传感器应用举例（续） Date63 超长距离检测 超声波传感器 应用举例（续） Date64 流水线计数 超声波传感器 应用举例（续） Date65 超声波流量计 F1发射的超声波先到达 T1 F2发射的超声波后到达 T2 Date66 测量流量原理分类 时间差法测量流量原理：在被测管道上 下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射 和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1 ，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声 波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中 传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传 播的时间差t，可得到流体的平均速度及流 量。 Date67 F1发射的超声波到达 F2的时间较短 Date68 频率差法测量流量原理： F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外 面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器 与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通 过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大 后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 。 紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测 得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重 复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率 差 f与被测流速v成正比 。 F2 F1 Date69 频率差法测量流量分析过程 首先由F1顺流发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、 流体及另一侧管壁，被F2接收，F2的输出电压经放大后 ，再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲，以 此类推。在第一个时间段t1里，F1的脉冲重复频率为 式中 超声波束与流体的夹角； v 流体的流速； D 管道的直径 Date70 频率差法测量流量过程分析（续） 在紧接下去的另一个相同的时间间隔t2(t2=t1)内,与上 述过程相反,由F2逆流发射超声脉冲,而F1接收脉冲。可 以测得F2的脉冲重复频率为： 若不考虑管道的壁厚， 则超声脉冲的重复频率差 f 与流速v成正比： 而与声速无关，减小了温漂。 频率法测得的流速v约等于管道截面 的平均流速，所以体积流量qV为： Date71 多普勒法测量流量 所谓多普勒效应（Doppler effect）是指运动物体迎着 波源运动时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 ；当运动物体背着波源运动时，会产生相反的效应。 物体的速度越快,所产 生的频偏效应就越大。产 生的频偏fd与波源、移动 物体两者之间的相对速度 v及方向有关。多普勒效 应广泛存在于光波(电磁 波)、声波等物理现象中 。 Date72 多普勒效应 前进方向 的频率升高 如果波源和观察 者之间有相对运动 ，那么观察者接收 到的频率和波源的 频率就不相同了， 这种现象叫做多普 勒效应。测出f 就 可得到运动速度。 Date73 水波的多普勒效应示意 波源向左运动时， 前进方向的波长变短，频率升高 波源向右运动时， 右侧表面波被压缩 Date74 多普勒效有关波形 . Date75 多普勒法测量流量示意图 Date76 多普勒法测量流量的计算 超声探头F1向流体发出频率为f1的连续超声波，照射 到液体中的散射体（悬浮颗粒或气泡）。 v为散射体的 运动速度，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收探头 F2接收到频率为f2的超声波： 多普勒频移fd正比于散射体的 流动速度v ： 折算出平均流速，再乘以管道的 截面积A，才等于被测体积的流量。 当被测杂质断断续续时，就必须在放大电路之后，引 入锁相环，锁存住粒子断续之前的fd。 Date77 发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧 Date78 同侧式超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料） Date79 超声波流量计现场使用 Date80 超声波流量计 现场使用 Date81 超声波的多普勒效应可以用于测量车速 现在更多地使用高频雷达电子测速 Date82 超声波多普勒测量风速 顺风方向 （频率增加） 不同的风向引起两对超声 波的频率变大或变小。 经过单片机计算可以得到 风速和风向。 发射器 接收器 发射器 接收器 Date83 超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反 射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发 射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以 空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所 经历的路程，除以2就得到距离。 Date84 超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲， 超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只 压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收 超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c ，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除 以2，就得到厚度 ： Date85 手持式超声波测厚仪 Date86 手持式超声波 测厚仪（续） Date87 手持式超声波 测厚仪（续） 金属构件 测厚 Date88 某超声波测厚仪指标 显示方法12832 LCD 点阵液晶 显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：10009999m/s 测量周期：2次/s 自动关机时间：90s 电源：二节七号（AAA）电池 可连续工作不少于72h 使用温度：-1040 存储温度：-2070 外形尺寸：1086125mm 重量：230g （含电池） Date89 超声波测厚（续） 石料 测厚 Date90 超声波手持式测厚 混凝土测 厚 木材测厚 小提琴 木料测厚 Date91 双晶超声波测厚探头 Date92 双晶超声波测厚探头（续） Date93 利用空气传导的超声波 发射器向下发射一个短时 脉冲，单片机立即转向等 待反射波。当另一个空气 传导的超声波探头接收到 反射波后并经放大后，单 片机立即响应中断，处理 中断子程序。 计算出发射到接收的时 间t，按右式计算出探头与 人体头部之间的距离x，就 可以得到人的身高h。应 变测重传感器器安装在脚 底部的踏板上。 超声波非接触式 测量人的身高 原理示意图 x h Date94 单片机可以扣除头发 的影响，但皮鞋的高 度较难自动扣除 Date95 超声波测量人的身高的参考电路 . Date96 超声波测量人的身高设备的外形及流程图 . Date97 超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导型 超声发射器和接收器，根据超 声波的往返时间，就可测得液 体的液面。 Date98 超声波液位计原理 1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关 Date99 例 超声波液位计原理如图所示，从显示屏上 测得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底与超声探头的间 距h2为10m，反射小板与探头的间距h0为0.34m， 求液位h。解： 所以液位h为 h=h2-h1=(10-0.95)m=9.05m Date100 超声波测量液位和物位 喇叭形 超声发生器 Date101 超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下半部分为接收 电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。如 果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体 反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频 率偏移f。 Date102 第四节 无损探伤 一、无损探伤的 基本概念 人们在使用各种材料（尤 其是金属材料）的长期实践 中，观察到大量的断裂现象 ，它曾给人类带来许多灾难 事故。涉及舰船、飞机、轴 类、压力容器、宇航器、核 设备等。 路轨断裂事故 回目录 Date103 无损探伤一般有三种含义 无损检测NDT（Nondestructive Tsting ）、无损检查NDI（Nondestructive Inspection ）和无损评价NDE （Nondestructive Evaluation）。NDT仅仅是 检测出缺陷；NDI则以NDT结果为判定基础； 而NDE则是对被测对象的完整性、可靠性等进 行综合评价。近年来，无损探伤已逐步从NDT 向NDE过渡。 Date104 简介无损探伤的几种方法 对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探 伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前 提，所以得到广泛应用。 无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法 、荧光染色渗透法、放射线（X光、中子） 照相检测法、超声波探伤法等。 Date105 磁粉检测法（对内部裂 纹的检测灵敏度不高） 磁悬液 磁粉检测仪 将磁悬液喷洒在工件表面，将 电流检测头压在在被测工件上， 通以百安培的电流，工件中将产 生磁场，工件表面的裂纹可因磁 粉的不均匀分布而显示出来。 Date106 X光探伤（有辐射危险） 将X光发生器对准被测位置，将感光片贴在物 体背面，人离开后接通高电压，产生X光，透过被测 钢构件，成像到感光片上。将感光片冲洗出影像，即 可观察到缺陷。 使用CCD光电图 像传感器，可以直接 将成像结果显示在电 脑屏幕上。 Date107 计算机断层成像技术(C