18 超声波传感器(第十二章).ppt

1,超声波传感器,超声波的物理特性;超声波在检测技术中的;无损探伤的设备及方法。,2,声波的分类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，78Hz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。,3,2.可闻声波,美妙的音乐可使人陶醉。频率在1620KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波,4,3.超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,高于20KHz的机械波，称为超声波,5,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,6,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,7,超声波金丝焊接机,8,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,9,超声波在医学应用,胎儿的B超影像,10,超声波用于高效清洗,当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而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。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中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。,11,超声波清洗原理及清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,12,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。,13,超声波的波型分类,超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。,14,纵波,纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；,15,横波,横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；,16,表面波,表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。,17,超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为,式中：介质的密度；Ba绝对压缩系数。上述的、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。,18,在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在9001900m/s。,19,超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。,20,超声波的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，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为,式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强；x声波与声源间的距离；衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。,21,声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。,22,第二节超声波传感器（换能器）,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。,23,压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。,24,超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。,25,不同超声波传感器工作方式超声波传感器使用时的两种形式：反射式、直射式,发射探头（TX）,接收探头（RX）,26,超声波传感器等效电路,C,C,L,R,等效电路,fr:L、C、R产生的串联谐振频率fa：L、C、C产生的并联谐振频率,电抗特性,超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中频率低的fr：L、C、R产生的串联谐振频率；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时阻抗最小。,27,各种超声波探头,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,28,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,29,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,30,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，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,31,各种双晶直探头,焦距范围：540mm,频率范围：2.55MHz，钢中折射角：4570,32,接触法双晶斜探头（续）,33,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。,34,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。,35,聚焦探头原理及外形,水浸聚焦探头,36,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。,37,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,38,空气超声探头,39,空气超声探头外形,40,空气传导超声波电脉冲发生器,41,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，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,42,超声波传感器应用举例,43,44,超声波传感器应用举例,质量检查,紧固件的安装错误检测,45,叠放高度测量,超声波传感器应用,46,超声波传感器应用,物件放置错误检测,47,超声波传感器应用,透明塑料张力控制,48,机械手定位,超声波传感器应用,49,纸卷直径检测,超声波传感器应用,50,平整度测量,超声波传感器应用,51,超长距离检测,超声波传感器应用,52,流水线计数,超声波传感器应用,53,一、超声波流量计,F1发射的超声波先到达T1,54,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。,55,F1发射的超声波到达F2的时间较短,56,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f2的频率差f与被测流速v成正比。,F2,F1,57,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,58,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）,59,超声波流量计现场使用,60,超声波多普勒测量车速,61,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。,62,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,63,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。,64,发射驱动电路：由反向器组成RC振荡器经门电路完成功率放大，经CP耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。,超声波传感器发射基本电路,超声波传感器测距基本电路主要由振荡发射电路、检测电路两部分组成：,振荡器频率调整,65,超声波传感器接收电路,检测电路：超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路用于检测反射波，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。,66,超声波测距模块：最大距离600cm，最小距离2cm,发送，由555构成多谐振荡器，RC电路产生40KHz等幅波放大送功放输出；接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。,67,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：,68,手持式超声波测厚仪,69,超声波测厚,石料测厚,70,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴木料测厚,71,双晶超声波测厚探头,72,双晶超声波测厚探头（续）,73,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。,74,超声波测液位,s,超声波在液体中传播测量,超声波在空气中传播测量,单换能器从发射到接收的时间：t=2h/C传感器到液面的距离：h=ct/2双换能器经过的路程：2S=ct液位高度：,C：超声波在介质中传播速度,75,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,76,超声波测量液位和物位,喇叭形超声发生器,77,超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。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。,78,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,79,无损探伤的方法,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。,80,磁粉检测法,磁悬液,磁粉检测仪,将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，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。,81,X光探伤,将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。,82,计算机断层成像技术(CT)探伤（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）,计算机断层成像技术(CT)是一种重要的无损检测技术(NDT)，是物理学与计算机科学的发展产物。它是基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，全面解决了传统x射线摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。,83,CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）,84,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,85,目前，超声技术用于设备状态监测方面主要是监测设备构件内部及表面缺陷，或用于压力容器或管道壁厚的测量等方面。监测时，把探头放在试品表面，探头或测试部位应涂水、油或甘油等，以使两者紧密接触。然后，通过探头向试件发射纵波(垂直探伤)或横波(斜向探伤)，并接收从缺陷处传回的反射波，由此对其故障进行判断。,86,1共振法我们知道，各种物体都有其固有共振频率。当发射到物体内超声波的频率等于物体的固有频率时，就会产生共振现象。利用共振现象来检测物体缺陷的方法叫共振法。共振法主要用于监测工件的厚度。监测时，通过调整超声波的发射频率，以改变发射到工件中超声波的波长，并使工件的厚度为超声波半波长的整数倍时，入射波和反射波相互迭加便产生共振。根据共振时谐波的阶数(即共振次数)及超声波的波长，就可测出工件的厚度。,87,2穿透法穿透法又叫透射法，它是根据超声波穿透工件后的能量变化来判断工件内部有无缺陷。穿透法将两个探头分别置于被测试件相对的两个侧面。一个探头用于发射超声波，另一个探头用于接收透射到另一个侧面的超声波，并根据接收到超声波的强弱来判断工件内部是否有缺陷。若工件内无缺陷，超声波穿透工件后衰减较小，接收到的超声波较强，若超声波传播的路径中存在缺陷时，超声波在缺陷处就会发生反射或折射，并部分或完全阻止超声波到达接收探头。这样，根据接收到超声波能量的大小就可以判断缺陷位置及大小。,88,3脉冲反射法脉冲反射法是目前应用最广泛的一种超声波探伤法。它的探伤原理是将具有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被测工件，当超声波在工件内部遇到缺陷时，就会产生反射，根据反射信号大小及在显示器上的位置就可以判断缺陷的大小及深度。,89,超声波探伤的图像显示是指超声入射到工件中，在接收反射波束或穿透波束时能用图像来显示缺陷的位置、宽度、分布等情况。图像显示方式一般有A型显示、B型显示和C型显示三种。,(1)A型显示。A型显示可以在CRT(显示器)上以脉冲高度来显示缺陷大小，根据脉冲位置来判断缺陷深度和部位。,(2)B型显示。B型显示可以在CRT上显示缺陷的断面像即缺陷在某截面上的范围、深度、大小。,(3)C型显示。它可以显示出工件