12 第十二章(3)超声波.ppt

1、超声波传感器，本章主要学习超声波的物理特性，重点理解部分超声波检测技术，还涉及不损伤探伤的设备和方法。 2、概要：声波分类1 .二次声波，二次声波是频率在20赫兹以下的声波，人耳听不见，但能与人体器官共振，78Hz的二次声波会引起人的恐惧感，动作不适，心脏停止跳动。 3，2 .能闻声波，美妙的音乐令人陶醉。 频率在1620KHz之间，听到的机械波称为声波，4，3 .超声波，蝙蝠能发出超声波。 20KHz以上的机械波称为超声波，5、蝙蝠用超声波捕食，6、超声波与可听声波不同，具有聚焦、能量集中的特征。 超声波喷雾器、超声波加湿器、7、压电陶瓷或磁致伸缩材料是高压窄脉冲，可获得大功率超声波，经聚焦后可用于集成电路或塑料的焊接。 超声波塑料焊机、8、超声波金线焊机、9、超声波聚焦后，具有良好的方向性，遇到两个介质边界面时，发生明显反射和折射现象的现象与光波相似。 便携式超声波探鱼器，10，超声波在医学检查中的应用，胎儿的超声波图像，11，超声波用于高效的清洗，弱声波信号作用于液体时，液体上一定的负压，即液体体积增加，液体中分子的空隙变大，形成很多微小气泡的强声波信号作用于液体时，液体上不会产生一定的正压超声波作用于液体时，液体中的每个气泡破裂产生能量大的冲击波，瞬间产生数百度高温和数千大气压的现象称为“空化作用”，超声波清洗具有利用液体中的气泡破裂产生的冲击波清洗工件内外表面的作用。 超声波清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗器械等行业。 12、超声波清洗原理和清洗器(见湖南省浏阳市医疗器械厂、北京加泰罗尼亚科技发展有限责任公司资料)、超声波换能器、气泡、波浪、清洗物、13、第一节超声波物理基础、频率超过20kHz的机械振动波称为超声波。 其指向性好，能量集中，贯通能力大，可以贯通几米厚的钢板，但能量损失少。 遇到两种介质的边界面(如钢板与空气的边界面)时，会产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，声场指向性越好。 14、超声波的波形分类、超声波的传播波形主要分为纵波、横波、表面波等。 15、纵波、纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波能够在固体、液体、气体的介质中传播，16、横波、横波：质点的振动方向与传播方向垂直的波只能在固体介质中传播，17、表面波、表面波：质点的振动介于横波与纵波间，在介质表面传播，其振幅随着深度增加18、超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。 当超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，因此仅纵波传播，其传播速度c为式中：介质的密度； 57348； ba绝对压缩系数。 e； 上述、Ba是温度的函数，超声波在介质中的传播速度根据温度而变化。 在19、固体中，纵波、横波及其表面波三种声速有一定的关系，通常认为横波声速是纵波的一半，表面波声速是横波声速的90%。 气体中纵波声速为344m/s，液体中的纵波声速为9001900m/s . 20、超声波是液体，固体中衰减小，透过能力强，特别是不透光的固体从几十米能透过的介质向别的介质入射超声波时，在界面发生反射、折射、波形变换。超声波是直线传播方式，频率越高衍射越弱，但是利用反射强的性质可以制作超声波测距传感器。 超声波在空气中传播的速度慢达340m/s，这一特点使超声波的应用非常简单，通过测量波的传播时间可以测量距离、厚度等。 21、超声衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐衰减，其衰减程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。 其声压和声力衰减规则在式中：来自Px、Ix声源x的声压和声力57348； x声波与声源之间的距离57348； 衰减系数。 单位为Np/cm (奈培/cm )。 22、当声波在介质中传播时，能量的衰减取决于声波的扩散、散射和吸收。 在理想的介质中，声波衰减只是声波的扩散，即随着声波传播距离的增加，声能衰减。 散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的粒子界面或流体介质中的浮游粒子使声波散射，其一部分声能不再向原来的传播方向移动而散射。 散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质、散射粒子的性质有关。 吸收衰减是由于介质的粘性，超声波在介质中传播时引起质点间的摩擦，将一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，从而导致声能的损失。 23、第二节超声波传感器(换能器)、超声波换能器也称为超声波探头。 超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等多种，检测技术主要采用压电式。 超声波探头有直线探头、倾斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、水洗探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头、其他专用探头等。 24、压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，该传感器统称为压电式超声波探头。 它利用压电材料的压电效应发挥作用：逆压电效应可以将高频电振转换为高频机械振产生超声波，作为发射探头的正压电效应可以将超声波转换为电信号，作为接收探头。 25、超声波探头的构造如图所示，主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、导线等构成。 压电晶片多为圆板状，厚度为。 超声波频率f与其厚度成反比。 压电晶片的两面镀银，成为导电性极板。 阻尼器的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能。 如果没有阻尼块，被激励的电脉冲信号停止时，晶片会继续振动，超声波的脉冲宽度变长，分辨率恶化。 另外，使用不同的超声波传感器工作方式的超声波传感器时的两种形式：反射式、直射式、发送探头(TX )、接收探头(RX )、27、超声波传感器等效电路、c、c、l、r、等效电路、fr:L、c、r所产生的串联谐振频率fa:L、c、c所产生的并联谐振频率、电抗器从电抗特性来看，中间为电感性，两侧为电容性，这是超声波传感器特有的。 其中频率低的fr:L、c、r产生的串联谐振频率高的fa:L、c、c产生的并联谐振频率超声波传感器在串联谐振频率下阻抗最小。 28、各种超声探头(以下见常州市常超声检测设备有限公司资料)，常用频率范围：0.510MHz，常见晶圆直径：530mm，接触式直探头(纵波垂直入射被检测介质)，外壳由金属制成，保护膜由高硬度耐磨材料制成，防止压电晶圆磨损。、保护膜、连接器、29、接触式斜探头(横波、瑞利波、兰姆波探头)粘贴在压电晶片与底面成角度(例如30、45等)的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被检测介质(试样)接触时，超声波产生角度的折射，向试样倾斜入射，多次底部耐磨材料、连接器、30、各种接触式斜探头、常用频率范围：15MHz、31、接触式双晶直探头、2个单晶探头组合设置在同一壳体内，一个发射超声波，另一个接收超声波。 两片晶片之间被吸音性能强、绝缘性能好的薄片隔离。 孪晶探头结构复杂，但检测精度高于单晶直探头，超声信号反射和接收的控制电路比单晶直探头简单。 选择发送晶片、接收晶片、32、各种双晶直探针、焦距范围：540mm、频率范围：2.55MHz、钢中折射角： 4570、33、接触法双晶斜探针(接下来)、34、水浸探针(自来水可作为耦合剂使用)、声透镜形状，决定聚焦形式35、由于超声波的波长短(毫米级)，所以聚焦探针与光波类似，聚焦成非常细的光束，直径小到1mm左右，能够识别试样中的细小缺陷的探针称为聚焦探针。 聚焦探针可以用曲面晶片发出聚焦的超声波的音速不同的2种塑料制作声透镜。也可以利用光学反射镜这样的原理制作声凹面镜，聚焦超声波。 36、聚焦探头的原理和外形、水浸聚焦探头、37、超声波探头中的压电陶瓷芯片对压电晶片施加数百伏的超声波电脉冲，利用逆压电效应，向晶片发射持续时间短的超声波振动波。 当超声波被测定物反射而返回压电晶片时，利用压电效应将机械振动波转换为同一频率的交变电荷和电压。 38、压电陶瓷的主要性能指标1 )介电常数： 100060002 )压敏度D33:300600pC/N3 )机械品质因素Q:10020004 )居里温度： 300400C5 )静电电容： 1000100000pF (与面积相关)6) 频率范围：用于超声波清洗： 30100KHz用于探伤器和流量计：2.55MHz用于喷雾器：12MHz、39，粘合剂、超声波探头与被测物接触时，探头与被测物表面之间存在空气薄层，空气会引起三个界面之间的强杂乱反射波，引起干扰，产生较大的因此，必须排除接触面间的空气，使超声波能够顺畅地入射到被测量介质上。 在工业中，经常使用被称为粘合剂的液体物质，充满接触层，起着传递超声波的作用。 常用的偶联剂有自来水、油、甘油、水玻璃、海苔、化学胶等。 40、空气超声波探头、a )超声波发射器b )超声波接收器1 -壳体2 -金属丝网罩3 -锥谐振盘4 -压电晶片5 -引脚6 -阻抗匹配器7 -超声波束、41、空气超声波探头(续)、42、空气超声波探头外形、空气超声波探头外形(续)、44， 空气传导超声波电脉冲发生器，45，第三节超声波传感器的应用，超声波发射器和接收器分别位于被测物体的两侧时，这种类型称为透射型。 透过型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声波发射器和接收器在同一侧是反射型的，反射型可用于近距离开关、测距、液位或物位、金属探伤、厚度测量等。46、超声波传感器的应用实例、47、超声波传感器的应用实例(续)、48、超声波传感器的应用实例(续)、质量检查、紧固件的安装错误检测、49、重叠高度测定、超声波传感器的应用实例(续)、50、超声波传感器的应用实例(续)、物置错误检测、51、超声波传感器的应用实例(续)、 透明塑料张力控制，52机器人定位，超声波传感器应用例(续)，53，辊径检测，超声波传感器应用例(续)，54，平面度测定，超声波传感器应用例(续)，55，长距离检测，超声波传感器应用例(续)，56，线计数，超声波传感器应用例(续)，57，一， 超声波流量计、从F1发射的超声波先到达T1、58，测量流量原理的分类、时间差法测量流量原理：在被测量管的上下游的一定距离内分别设置2组超声波发射和接收探头(F1、T1)、(F2、T2)。 其中，F1、T1的超声波以顺流传播，F2、T2的超声波以逆流传播。 根据这两个超声波在液体中传播的速度不同，测定两个接收探头上的超声波传播的时间差t，可以得到流体的平均速度和流量。 59、F1发射的超声波到达F2的时间很短，60、用频率差法测量流量原理： F1、F2是完全相同的超声波探头，设置在管壁外，在电子开关的控制下，交替作为超声波发射器和接收器用。 首先，从F1发射第一超声波脉冲，所述第一超声波脉冲经由管壁、流体和另一管壁被F2接收，在对该信号进行放大之后，再次激活F1的驱动电路，以向F1发射第二声脉冲。 接着，从F2发送超声波脉冲，设F1为接收机，则能够将F1的脉冲重复频率测量为F1。 类似地，F2的脉冲重复频率可被测量为F2。 顺流放射频率f1和逆流放射频率f2的频率差f与被测定流速v成正比。 F2、f1、61、收发探头也可以设置在配管的同一侧，62、同一侧的超声波流量计的使用(参照北京海波计有限公司的资料)、63、超声波流量计在现场的使用、64、超声波多普勒测量车速、65、多普勒效应、行进方向的频率高，波动源与观察者之间有相对运动时，观察者受到的频率与波动测量f可以得到运动速度。 66、超声波多普勒测定风速、风、风引起的超声波的频率变大或变小，67、超声波测距、空气超声波探头发射超声波脉冲，到达被测定物后被反射，被另一个空气超声波探头接收。 测定从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲的时间t，如果乘以空气的声速(340m/s )，超声波脉冲以被测定距离所经历的程度除以2得到距离。 由、，68，发送驱动电路：逆变器构成的RC振荡器通过门电路完成功率放大，通过CP耦合向超声波振子发送，产生超声波发送信号。 超声波传感器发送基本电路、超声波传感器测距基本电路主要由振荡发送电路、检测电路两部分构成：振荡器频率调整：69、超声波传感器接收电路、检测电路：超声波信号极微弱、增益高的放大电路检测反射波所需要的、输出的高频信号的电压接触检波、放大、开关电路输出或报警。 另外，70、超声波测距模块：由最大距离600cm、最小距离2cm、发送端、555构成多振荡器，RC电路产生40KHz等振幅放大并放大放大输出的接收端、放大端、检波端、信号处理端根据被测定物体的基准距离设定反射脉冲时间，调整振荡器触发时间。 计时器控制触发电路和门电路。 71、超声波测定厚度、双晶直探头的压电晶片发射超声波振动脉冲，超声波脉冲到达试料的底面时，被反射回来，被另一个压电晶片接收。测定从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，如果乘以被检体的声速常数c，超声波脉冲在被检体中经历的往复距离除以2，则厚度：72，手持式超声波厚度计，73， 可获得某超声波厚度计的指标(参照北京北方大河仪器仪表有限公司的资料)显示方法： 128*32LCD点液晶显示(带背光源)显示位数： 4位测量范围：0.8200mm显示精度：0.1mm声速范围： 10009999m/s测量周期： 2次/秒自动关机时间： 90秒电源： 2根7号(AAA )电池可连续工作72小时以上的温度：-10C40C储存温度：-20C70C外形尺寸：