自动检测与转换技术7检测课件(第七章)

1、1自动检测与转换技术自动检测与转换技术第三版第三版多媒体课件多媒体课件第七章第七章超声波传感器超声波传感器 2第七章第七章 超声波传感器超声波传感器 在这一章里，卡卡要给大家介绍超声波的在这一章里，卡卡要给大家介绍超声波的物理特性、超声波传感器的结构、探头耦合物理特性、超声波传感器的结构、探头耦合技术和超声波传感器的应用，也集中讲一讲技术和超声波传感器的应用，也集中讲一讲在工业领域里比较常见的无损探伤。在工业领域里比较常见的无损探伤。超声波传感器的最大特点是量程范围比较大，超声波传感器的最大特点是量程范围比较大，多用于定性测量。多用于定性测量。概述：概述： 声波的分类声波的分类1.1.次声次声

2、波 次声波是频率低于次声波是频率低于20HZ的声波，人耳听的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导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。致心脏停止跳动。 次声波炸弹次声波炸弹2.可闻声波可闻声波（20Hz20kHz） 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。 2802560Hz频率段称为频率段称为中高频。小中高频。小提琴约有四提琴约有四分之一的较分之一的较高音域在此高音域在此频段。频段。3.3.超声波超声波 蝙蝠能蝙蝠能发出和听发出和听见超声波。见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超

3、声波捕食 超声波与可闻声波不超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器 压电陶瓷或磁致压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到脉冲作用下，可得到较较大功率的超声波大功率的超声波，可以被可以被聚焦聚焦，能用于，能用于集成电路及塑料的焊集成电路及塑料的焊接接。 超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机超声波金丝超声波金丝焊接机焊接机 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射遇到两种介质的分界面时，能产生明显的

4、反射和折射现象，这一现象类似于光波。和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器超声波在医学检查超声波在医学检查中的应用中的应用 胎儿的胎儿的 B超影像超影像大功率超声波用于高效清洗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，液体中形成的小，液体中形成的微小气泡被压碎微小气泡被压碎。 每个每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击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

5、千个大气压的压力，这种现象被称之为，这种现象被称之为“空空化作用化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡，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破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件清洗和冲刷工件内外表面内外表面的作用。的作用。 超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。医疗仪器等行业。超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物第一节第一节 超声波物理基础超声

6、波物理基础 频率高于频率高于20kHz的机械振动波的机械振动波称为超称为超声波。它的声波。它的指向性很好，能量集中，因此指向性很好，能量集中，因此穿透本领大穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在量损失不大。在遇到两种介质的分界面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（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射明显的反射和折射现象，超声波的现象，超声波的频率越频率越高，其声场指向性就愈好高，其声场指向性就愈好。超声波的波型超声波的波型分类分类 超声波的传播波型主要可分为纵波、超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。横波、

7、表面波等几种。 纵纵波波横波横波 表面波表面波 第二节第二节 超声波换能器及耦合技术超声波换能器及耦合技术 1 1a）单晶直探头）单晶直探头 b）双晶直探头）双晶直探头 c）斜探头）斜探头1接插件接插件 2外壳外壳 3阻尼吸收块阻尼吸收块 4引线引线 5压电晶体压电晶体 6保护膜保护膜7隔离层隔离层 8延迟块延迟块 9有机玻璃斜楔块有机玻璃斜楔块 10耦合剂耦合剂 11试件试件 超声波换能器（超声探头）的外形超声波换能器（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，在检作原理有压电式、磁致伸缩

8、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、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、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水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。头等。 各种超声波探头各种超声波探头 （以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：常用频率范围：0.50.510MHz10MHz，常见晶片直径：常见晶片直径：5 530mm30mm接触式直探头接触式直探头（纵波垂直入射（纵波垂直入射到

9、被检介质）到被检介质） 外壳用金属制外壳用金属制作，保护膜用硬度作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止压电晶片作，防止压电晶片磨损。磨损。 保护膜保护膜接插件接插件接触式接触式 直探头原理直探头原理超声脉冲电压超声脉冲电压输入端输入端 接地端接地端保护膜保护膜被测物上表面被测物上表面接触式斜探头接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）（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（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如3030 、4545 等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材等）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，超声波将产生一料的

10、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。次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1 15MHz5MHz接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波其中一片发射超声波，另一片接收超声波另一片接收超声波。两。两晶片之间用一片吸声性晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。片加以隔离。 双晶探头的结构虽双

11、晶探头的结构虽然复杂些，但然复杂些，但检测精度检测精度比单晶直探头高比单晶直探头高，且超，且超声信号的反射和接收的声信号的反射和接收的控制电路简单控制电路简单。 发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围：焦距范围：5 540mm, 40mm, 频率范围：频率范围：2.52.55MHz5MHz，钢中折射角：钢中折射角：4545 7070 接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续） 水浸探头水浸探头（可用自来水作为耦合剂）（可用自来水作为耦合剂） 选择声透选择声透镜形状，可决镜形状，可决定聚焦形式为定聚焦形式为点聚焦或线聚点聚焦或线聚焦。焦。聚焦探头聚焦探头 由于超

12、声波的波长很短（由于超声波的波长很短（毫米毫米数量级数量级），），所以它也类似光波，可以所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的被聚焦成十分细的声束，其直径可小到声束，其直径可小到1mm左右左右，可以分辨试可以分辨试件中细小的缺陷件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。，这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用聚焦探头采用曲面晶片曲面晶片来发出聚焦的超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声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作作声透镜；声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原也可以利用类似光学反射镜的原理制作声理制作声凹面镜来聚焦超声波凹面镜来聚焦超声波。 聚焦探头原理及外形聚焦探头原理及

13、外形水浸聚焦探头水浸聚焦探头超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片 将将数百伏数百伏的超声电脉冲的超声电脉冲加到压电晶片上，利用加到压电晶片上，利用逆压电效应逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振，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，动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。荷和电压。超声波探头不能直接在被测物表面摩擦，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必须在探头和被测物表面之间加入耦合剂耦合剂耦合

14、剂 的的种类和选择种类和选择 超声探头与被测物体接触时，探头与被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测物体表面间存在一层空气薄层空气薄层，空气，空气将引将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减并造成很大的衰减。为此，。为此，必须将接触面之必须将接触面之间的空气排挤掉间的空气排挤掉。 在工业中，经常使用耦合剂，使之在工业中，经常使用耦合剂，使之充满充满在接触层中，起到传递超声波的作用在接触层中，起到传递超声波的作用。常用。常用的耦合剂有的耦合剂有自来水、机油、甘油、胶水、化自来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊学浆糊等。等

15、。 空气超声探头空气超声探头 a a） 超声发射器超声发射器 b b）超声接收器）超声接收器 11外壳外壳 22金属丝网罩金属丝网罩 33锥形共振盘锥形共振盘 44压电晶片压电晶片 55引脚引脚 66阻抗匹配器阻抗匹配器 77超声波束超声波束 空气超声探头（续）空气超声探头（续） 空气超声探头外形空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气超声探头外形（续）空气传导超声波电脉冲发生器空气传导超声波电脉冲发生器第三节第三节 超声波传感器的应用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侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥。

16、透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。以及测厚等。 空气传导超声波传感器的应用举例空气传导超声波传感器的应用举例 空气传导超声波传感器的应用举例空气传导超声波传感器的应用举例 （续）（续） 空气传导超声波传感器的应用举例空气传导超声波传感器的应用举例 （续）（续）质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测叠放高度测量叠放高度测量空气传导超声波传感器的应用举

17、例空气传导超声波传感器的应用举例 （续）（续）空气传导超声波传感器的应用举例空气传导超声波传感器的应用举例 （续）（续）物件放置错误检测物件放置错误检测空气传导超声波传感器的应用举例空气传导超声波传感器的应用举例 （续）（续）透明塑料张力控制透明塑料张力控制机械手定位机械手定位空气传导超声波传感器的应用举例空气传导超声波传感器的应用举例 （续）（续）纸卷直径检测纸卷直径检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）平整度测量平整度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超长距离检测空气传导超声波空气传导超声波传感器的应用举传感器的应用举例例 （续）（续）流

18、水线计数流水线计数空气传导超声空气传导超声波传感器的应波传感器的应用举例用举例 （续）（续）二对探头的超声波流量测量原理二对探头的超声波流量测量原理 F1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 T1测量流量原理分类测量流量原理分类 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游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（接收探头（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中F F1 1，T T1 1的超声波是顺流传播的，而的超声波是顺流传播的，而F F2 2，T T2 2的超声波是的超声波

19、是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播逆流传播的。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速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差时间差 t t，可得到流体的平均速度及流量。，可得到流体的平均速度及流量。 F1发射的超声波到达发射的超声波到达 F2的时间较短的时间较短一对探头的超声波流量测量原理一对探头的超声波流量测量原理 频率差法测量流量原理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。首先由与

20、接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大接收，此信号经放大后再次触发后再次触发F1的驱动电路，使的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲发射第二个声脉冲 。紧接着，由紧接着，由F2发射超声脉冲，而发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测作接收器，可以测得得F1的脉冲重复频率为的脉冲重复频率为f1。同理可以测得。同理可以测得F2的脉冲重的脉冲重复频率为复频率为f2。顺流发射频率。顺流发射频率f1与逆流发射频率与逆流发射频率f 2的频的频率差率差 f与被测流速与被测流速v成正比成正比 。F2F1 发射、

21、接收探头发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧也可以安装在管道的同一侧同侧式同侧式超声波流量计的使用超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料）（参考北京菲波仪表有限公司资料）超声波流量计在水处理现场的使用超声波流量计在水处理现场的使用超声波流量计超声波流量计现场使用现场使用多普勒效应多普勒效应 前进方向的前进方向的频率升高频率升高 如果波源和观如果波源和观察者之间有察者之间有相对相对运动运动，那么观察，那么观察者者接收到的频接收到的频率率和波源的频率就和波源的频率就不相同不相同了，这种了，这种现象叫做现象叫做多普勒多普勒效应效应。测出测出 f 就就可得到运动速度可得到运动速度。60水

22、波的水波的多普勒效应示意多普勒效应示意波源向左运动时，波源向左运动时，前进方向的波长变短，频率升高前进方向的波长变短，频率升高波源向右运动时，波源向右运动时，右侧表面波被压缩右侧表面波被压缩超声波的多普勒效应可以用于测量车速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现在更多地使用高频雷达电子测速超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风 不同的风向引起两对超不同的风向引起两对超声波的频率变大或变小。声波的频率变大或变小。经过单片机计算可以得经过单片机计算可以得到风速和风向到风速和风向超声波测距超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，到达

23、被测物时，被被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t t，再乘以空气的声速（再乘以空气的声速（340m/s340m/s），就是超声脉冲在），就是超声脉冲在被测被测距离所经历的路程，除以距离所经历的路程，除以2 2就得到距离就得到距离。 超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲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，并超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一被另一只压电晶片所接收只压电晶片所接收。只要测出

24、从发射超声波脉冲到。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接收超声波脉冲所需的时间t t，再，再乘以被测体的声乘以被测体的声速常数速常数c c，就是就是超声脉冲在被测件中所经历的来回超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以距离，再除以2 2，就得到厚度，就得到厚度 ： 5-7 21ct手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪手持式超声波手持式超声波测厚仪（续）测厚仪（续）手持式超声波手持式超声波测厚仪（续）测厚仪（续）金属构件金属构件测厚测厚某超声波测厚仪指标某超声波测厚仪指标 （参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料） 显示方法显示方法1281

25、28* *32 LCD 32 LCD 点阵液晶显示（带背光）点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位显示位数：四位 测量范围：测量范围：0.80.8200mm 200mm 示值精度：示值精度：0.1mm 0.1mm 声速范围：声速范围：1000 1000 9999m/s 9999m/s 测量周期：测量周期：2 2次次/ /秒秒 自动关机时间：自动关机时间：9090秒秒 电源：二节七号（电源：二节七号（AAAAAA）电池，）电池，可连续工作不少于可连续工作不少于7272小时小时 使用温度：使用温度：-10-10C C 40 40C C 存储温度：存储温度：-20-20C C 70 70C C 外形

26、尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230g （含电池）（含电池）超声波测厚（续）超声波测厚（续）石料测厚石料测厚超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液时间，就可测得液体的液面。面。 超声波液位计原理超声波液位计原

27、理 1 1液面液面 22直管直管 33空气超声探头空气超声探头 44反射小板反射小板 55电子开关电子开关 根据显示波形计算液位根据显示波形计算液位超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形喇叭形 超声发生器超声发生器超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的图中的上半部分为发射电路上半部分为发射电路，下半部分下半部分为接收电路为接收电路。发射器发射出频率。发射器发射出频率 f=40kHz40kHz左右左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为对速度为 v，从人体反射回接收器的超声波将从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移由

28、于多普勒效应，而发生频率偏移 f。 第四节第四节 无损探伤无损探伤 一、无损探伤的基本概一、无损探伤的基本概念念 人们在使用各种人们在使用各种材料（尤其是金属材料）材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事给人类带来许多灾难事故。涉及舰船、飞机、故。涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航轴类、压力容器、宇航器、核设备等。器、核设备等。 路轨断裂事故路轨断裂事故简介无损探伤的几种方法简介无损探伤的几种方法 对缺陷的检测手段有对缺陷的检测手段有破坏性试验破坏性试验和和无无损探伤损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对。由于无

29、损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。象为前提，所以得到广泛应用。 无损检测的方法有无损检测的方法有磁粉检测法、电涡磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（流法、荧光染色渗透法、放射线（x x光、中光、中子）照相检测法、超声波探伤法子）照相检测法、超声波探伤法等。等。 磁粉检测法（对内部裂磁粉检测法（对内部裂纹的检测灵敏度不高）纹的检测灵敏度不高）磁悬液磁悬液磁粉检测仪磁粉检测仪 将将磁悬液磁悬液喷洒在工件表面喷洒在工件表面，将，将电流检测头压在在被测工件上电流检测头压在在被测工件上，通以百安培的电流通以百安培的电流，工件中将产工件中将产生磁场生磁场，工件表面的裂纹可因，工件

30、表面的裂纹可因磁磁粉的不均匀分布而显示出来粉的不均匀分布而显示出来。X X光探伤光探伤（有辐射危险）（有辐射危险） 将将X X光发生器对准被测位置，将光发生器对准被测位置，将感光片感光片贴在物体背面贴在物体背面，人离开后通上高压电人离开后通上高压电，再将再将感光片冲洗出影像感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。，即可观察到缺陷。计算机断层成像技术计算机断层成像技术( (CT) )探伤探伤（参考（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）中国工程物理研究院应用电子学研究所资料） CT 是基于是基于射射线与物质的相互线与物质的相互作用作用原理，通过原理，通过投影重建方法获投影重建方法获取被检测物体的取被检测物体的数字图像数字图像，解决，解决了传统了传统X射线摄影射线摄影装置的影像重叠、装置的影像重叠、密度分辨率密度分辨率低等低等缺点。缺点。CT探伤成像探伤成像（参考（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）超声波探伤超声波探伤 超声波探伤超声波探伤是目前应用十分是目前应用十分广泛的无损探伤广泛的无损探伤手段。它既手段。它既可检可检测材料表面的缺测材料表面的缺陷陷，又可检测内又可检测内部几米深的缺陷部几米深的缺陷，这是这是X光探伤所光探伤所达不到的达不到的深度深度。 A型型超声探伤超声探伤反射波形反射波形裂纹