超声波传感器

1、第4章 超声波传感器超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础的通用技术之一，主要涉及超声波的产生、传播和接收技术。超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：功率超声和检测超声。功率超声是指利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用；检测超声是指利用超声波获取若干信息。无论是功率超声还是检测超声的应用，均需借助于超声波传感器（即超声换能器或探头）来实现。目前，超声波技术已经广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门，例如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，取得了良好的社会效益和经济效益。4.1 超声检测的物理基础 振动在弹性

2、介质内的传播称为波动，简称波。频率在162104Hz之间，人耳能听见的机械波称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2104Hz的机械波称为超声波；频率在3108Hz31011Hz之间的波称为微波。波的频率界限如图4-1所示。 图4-1 声波的频率界限4.1.1 超声波的波形及其传播速度根据声源在介质中的施力方向与波在介质中传播方向的不同，可将声波分成以下三种类型： 1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。纵波能在固体、液体和气体介质中传播。 2）横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波。横波只能在固体介质中传播。 3）表面波：质点的振动介于横波和纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅

3、随深度增加而迅速衰减的波。表面波的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只能在固体的表面传播。 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。由于气体和液体的剪切模量为零，故超声波在气体和液体中没有横波和表面波，只能传播纵波。气体中的声速为344m/s、液体中的声速在9001900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。4.1.2 超声波的物理性质 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续

4、传播，称为折射波。如图4-2所示。图4-2 波的反射与折射 1）反射定律 入射角与反射角的正弦之比等于入射波速度与反射波的速度之比，即 （4-1） 如果反射波与入射波同处于一种介质时，由于波速相同，则反射角等于入射角。 2）折射定律 入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比，即12sinsincc12sinsincc（4-2）2 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。在平面波的情况下，距离声源处的声压和声强的衰减规律如下：0 xxP Pe（4-3）20 xxIIe（4-4）式中， 、 距离声源处的声压和声强； 衰减

5、系数，单位为奈培/厘米（Np/cm）。0P0I 声波在介质中传播时，能量的衰减程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随着声波传播距离的增加，单位面积内声能将要减弱。散射衰减是声波在固体介质中颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮粒子使超声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。吸收随声波频率的升高而增加。晶粒越粗，频率越高，则衰减越大。最大探测厚度往往受衰减系数的限制。通常以dB/cm为单位来表示衰减系数。在一般探测频率上，材料的衰减系数在一到几百之间。如水及其他低衰减系数材料的 在（14）103dB/m

6、m之间。 3 超声波的波形转换 当超声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上，除有纵波的反射和折射外，还有横波的反射和折射，如图4-3所示。在一定的条件下，还能产生表面波。图4-3 波形及其转换各种波形均符合几何光学中的反射定律，即各种波形均符合几何光学中的反射定律，即112212sinsinsinsin sinLSLSLccccc（4-5） 式中， 入射角； 纵波与横波的反射角； 纵波与横波的折射角； 入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度； 反射介质与折射介质内的横波速度。 如果第二介质为液体或气体，则仅有纵波，不会产生横波和表面波。12、12LLLc c c、 、12SScc、4.

7、2 超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而制成的装置称为超声波传感器，又称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器可以实现声能和电能的互换。以超声波作为检测技术手段，必须要产生超声波和接收超声波。 超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式超声波传感器应用最为广泛。4.2.1 压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来制成。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷。根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器和接收器两种。 压电式超声波发生器是基于逆压电效应原理工作的。将高频交流电转换成高频机械振动，从而产生超声波

8、。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十KHz到几十MHz的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。 压电式超声波接收器是基于正压电效应原理工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上产生极性相反的电荷，然后将电荷转换成电压经放大后送到后级测量电路。 典型的压电式超声波传感器结构如图4-4所示。图4-4 压电式超声波传感器的结构压电式超声波传感器主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，其厚度与超声波频率成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电极板，底面接地，上面接至引出线。为了

9、避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。阻尼块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。如果没有阻尼块时，当激励的电脉冲信号停止时，压电晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。4.2.2 磁致伸缩式超声波传感器 某些铁磁材料在交变的磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象成为磁致伸缩效应。不同的铁磁材料，其磁致伸缩效应即材料伸长缩短的程度不同。镍的磁致伸缩效应最大，故通常采用镍作为磁致伸缩材料。由于金属磁致伸缩材料电阻低，为了减小涡流损耗，应用时将其切成薄片并叠层使用，其结构可以做成矩形、窗形等。偏置磁场可采用直流通电产生磁场或采用永久磁铁方法。磁致

10、伸缩材料除了镍之外，还有铁钴钒合金、镍铁合金等。 磁致伸缩超声波发生器的工作原理是将铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生超声波。磁致伸缩超声波接收器的工作原理是当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致其内部磁场（即导磁性能）发生改变。根据电磁感应原理，磁致伸缩材料上所绕制的线圈里产生感应电动势。4.3 超声波检测技术的应用 4.3.1 超声波测物位 通常，将存于容器内的液体表面高度称为液位、固体颗粒的高度称为料位，两者统称为物位。超声波测物位的工作原理是基于超声波在两种介质分界面上的反射特性。探头发出的超声波脉冲通过介质到达液体或固体颗粒表面，经

11、反射后又被探头接受。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面或固体表面之间的距离。 下面以液位测量为例介绍超声波脉冲回波法测液位的应用。根据超声探头的数量和声波的传输介质不同可分为单探头液介式、单探头气介式、双探头液介式、双探头气介式等，分别如图4-5所示。图4-5 超声波脉冲回波法测液位原理图对于单个超声探头而言，超声波从发射到液面，又从液面发射到探头的时间间隔为 式中， 探头到液面的距离； 超声波在介质中的传播速度。 则2htv （4-6）hv2vth（4-7）对于两个超声探头而言，超声波从发射到被接收经过的路程为，而2vts（4-8）则液位的高度为22hs

12、a（4-9）式中， 探头到发射点的距离；探头之间的中心距离。由此可见，只要测得从发射到接收到超声波脉冲的时间间隔 即可求得待测的液位。sat4.3.2 超声波测厚仪 利用超声波测厚度的方法有脉冲回波法、共振法、干涉法等。图4-6所示为脉冲法检测厚度的工作原理图。图图4-6 超声波脉冲回波法检测厚度的原理图超声波脉冲回波法检测厚度的原理图 超声波探头与被测试件表面相接触，由主控制器产生一定频率的电脉冲信号，并进行放大，然后送至超声波探头产生超声波脉冲。脉冲波传到被测试件表面后反射回来，被同一探头接收。 若已知超声波在被测试件中的传播速度v，设试件的厚度为d，脉冲波从发射到接收的时间间隔 可以测量

13、，则可求出被测试件的厚度为t2vtd时间间隔 的测量方法：将发射脉冲和回波反射脉冲加至示波器垂直偏转板上。标记发生器输出的是时间标记脉冲，并将其加到示波器垂直偏转板上。水平偏转板上则加线性扫描电压。因此可以直接从示波器屏幕上观察到发射脉冲和回波反射脉冲，从而求出两者的时间间隔 。（4-10）tt4.3.3 超声波测流量 超声波测流量是基于超声波在在静止流体和流动流体中的传播速度不同的原理，测量超声波传播时间和相位上的变化，从而可以测得流体的流速和流量。 图4-7所示为超声波测流体流量的工作原理图。被测流体的平均速度为v，超声波在静止流体中的传播速度为c，超声波传播方向与流体流动方向的夹角为 （

14、 ），两个超声探头A、B之间的距离为 。90L超声波测流量的方法有时差法、相位法、频率差法等。图4-7 超声波测流体流量的工作原理图当A为发射换能器，B为接收换能器时，超声波为顺流方向传播，其速度为 ，则顺流传播时间为1 时差法测流量时差法测流量cosc v1t1cosLtcv（4-11）当B为发射换能器，A为接收换能器时，超声波为逆流方向传播，其速度为 ，则逆流传播时间为coscv2t2cosLtcv（4-12）则超声波顺流、逆流传播时间差为212222coscoscoscosLLLvtttcvcvcv （4-13）由于超声波在流体中的传播速度远远大于流体的流速，即 故上式可近似为cv 22

15、cosLvtc （4-14）则流体的平均速度为22 coscvtL（4-15）测得流速 后，只要知道管道流体的截面积，即可求得流体的流量。时差法测流量的精度取决于时间差 的测量精度，同时，超声波在流体中的传播速度受温度影响会产生温漂。vt 2 相位法测流量相位法测流量 当A为发射换能器，B为接收换能器时，接收到的超声波信号相对发射超声波信号的相位角 为11cosLcv（4-16） 式中， 超声波的角频率。 当B为发射换能器，A为接收换能器时，接收到的超声波信号相对发射超声波信号的相位角 为22cosLcv（4-17）则相位差 为212222coscoscoscosLLLvcvcvcv（4-18

16、） 由于 ，故上式可近似为cv22cosLvc（4-19） 则流体的平均速度为22coscvL（4-20） 相位法测流量以测相位角代替时差法测时间，提高了测量精度。但同样由于超声波在流体中的传播速度受温度影响将会产生一定的测量误差。 3 频率法测流量频率法测流量 当A为发射换能器，B为接收换能器时，超声波的频率 为1f111coscvftL（4-21） 当当B为发射换能器，为发射换能器，A为接收换能器时，超声波的为接收换能器时，超声波的频率频率 为为2f221coscvftL（4-22） 则频率差则频率差 为为f12coscos2 coscvcvvfffLLL （4-23）故流体的平均速度故流

17、体的平均速度 为为v2cosLvf（4-24）当管道尺寸和换能器安装位置一定时，当管道尺寸和换能器安装位置一定时， 和和 为常数，流速为常数，流速 只与只与 有关，而与有关，而与 无关。因此频率法测流量可以克服温度的影响，获得无关。因此频率法测流量可以克服温度的影响，获得更高的测量精度。更高的测量精度。Lvfc4.3.4 超声波探伤 超声波探伤是无损探伤技术中的一种检测手段，主要应用检测板材、棒料、管材、锻件和焊缝等材料的缺陷，如杂质、气孔、裂纹等，在生产实践中已得到广泛的应用。 超声波探伤按其原理可分为透射法探伤和发射法探伤。下面以透射法探伤为例介绍超声波探伤的原理和应用。透射法探伤是根据超

18、声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部的质量。图4-8透射法探伤原理图 图4-8所示为透射法探伤原理图，将超声发射探头和接收探头分别置于工件两侧，并使探头处于一条直线上，且要保证探头与工件之间有良好的声耦合。发射超声波可以是连续波，也可以是脉冲信号。当被测工件内无缺陷时，接收到的超声波能量最大，显示仪表指示值最大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收到的超声波能量减弱，显示仪表指示值偏小。根据仪表显示值来判断工件内部是否有缺陷。4.3.5 超声波诊疗超声波在医疗上的应用是通过向人体内发射超声波，并接受经人体各组织反射回来的超声回波并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断。表4-