第七章__超声波传感器

1、2022-4-121第七章第七章 超声波传感器超声波传感器 本章主要学习超声波的本章主要学习超声波的物物理特性理特性，着重了解超声波在检，着重了解超声波在检测技术中的一些测技术中的一些应用应用，也涉及，也涉及无损探伤无损探伤的设备及方法。的设备及方法。2022-4-122概述：概述： 声波的分类声波的分类1.1.次声次声波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人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。的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。2022-4-

2、1232.2.可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。2022-4-1243.3.超声波超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波。波。2022-4-125蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食2022-4-126 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2022-4-127 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，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，能用于集成可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用

3、于集成电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。 超声波塑料超声波塑料焊接机焊接机2022-4-128超声波金丝超声波金丝焊接机焊接机2022-4-129 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，能产生明显的反射和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。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2022-4-1210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2022-4-1211超声波用于高效清洗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

4、产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。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

5、气压的压力，这产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为种现象被称之为“空化作用空化作用”，超声波清洗正是利，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、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。机械、玻璃、医疗仪器等行业。2022-4-1212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

6、泡波浪波浪清洗物清洗物2022-4-1213第一节第一节 超声波物理基础超声波物理基础 频率高于频率高于20kHz的机械振动波称为超声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，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。其声场指向性就愈好。2022-4-1214超声波的波型超声波的波型

7、分类分类 超声波的传播波型主要可分为超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。纵波、横波、表面波等几种。 2022-4-1215纵纵波波2022-4-1216横波横波 2022-4-1217表面波表面波2022-4-1218 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 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原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、要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探

8、头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、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。空气传导探头以及其他专用探头等。 2022-4-1219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

9、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2022-4-1220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2022-4-1221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

10、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2022-4-1222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 15MHz5MHz2022-4-1223接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直些，但检测精度比单晶直探

11、头高，且超声信号的反探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单射和接收的控制电路较单晶直探头简单。晶直探头简单。 发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片2022-4-1224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 2022-4-1225接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续）2022-4-1226 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。20

12、22-4-1227聚焦探头聚焦探头 由于超声波的波长很短（由于超声波的波长很短（毫米毫米数量级），所以数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；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

13、。焦超声波。 2022-4-1228聚焦探头原理及外形聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头水浸聚焦探头2022-4-1229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加到压电晶片上，利用逆压电效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。转换成同频率的交变电荷和电压。2022-4-1230压电陶瓷的主要性能指标压电陶瓷的主要性能指

14、标 1) 介电常数介电常数 ：10006000 2) 压电灵敏度压电灵敏度D33 ：300600pC/N 3) 机械品质因素机械品质因素Q：1002000 4) 居里温度：居里温度：300400 C 5）静电容：）静电容：1000 100000pF（与面积有关）（与面积有关） 6）频率范围：）频率范围： 用于超声清洗：用于超声清洗：30100KHz 用于探伤仪及流量计：用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：用于雾化器：12MHz2022-4-1231耦合剂耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物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，空气将引起三个界体表

15、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，的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。学浆糊等。 2022-4-1232空气超

16、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 2022-4-1233空气超声探头（续）空气超声探头（续） 2022-4-1234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）2022-4-1236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2022-4-1237本章作业本章作业p108：2、3、52022-4-1238休息一下休息一下2022-4-1239第三节第三节 超

17、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、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。金属探伤以及测厚等。 2022-4-1240超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 2022-4-1241超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 202

18、2-4-1242超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（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2022-4-1243叠放高度测量叠放高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）2022-4-1244超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测物件放置错误检测2022-4-1245超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制透明塑料张力控制2022-4-1246机械手定位机械手定位超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）2022-4-1247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

19、用举例（续）应用举例（续）2022-4-1248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）2022-4-1249超长距离检测超长距离检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）2022-4-1250流水线计数流水线计数超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）2022-4-1251一、一、超声波流量计超声波流量计 F1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 T12022-4-1252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

20、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。 2022-4-1253F1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2022-4-1254 频率差法

21、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

22、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 。F2F12022-4-1255 发射、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2022-4-1256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）2022-4-1257超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用2022-4-1258超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速2022-4-125

23、9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 如果波源和观察如果波源和观察者之间有相对运动，者之间有相对运动，那么观察者接收到的那么观察者接收到的频频率率和波源的频率就和波源的频率就不相同了，这种现象不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测叫做多普勒效应。测出出 f 就可得到运动速就可得到运动速度。度。2022-4-1260超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风 风引起超声波的频率风引起超声波的频率变大或变小变大或变小2022-4-1261超声波测距超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，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

24、收。测被反射回来，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出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），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以在被测距离所经历的路程，除以2 2就得到距离。就得到距离。 2022-4-1262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

25、冲到接收超声波脉要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间冲所需的时间t t，再乘以被测体的声速常数，再乘以被测体的声速常数c c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回，就是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 21ct2022-4-1263手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪2022-4-1264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128128* *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

26、：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 外形尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230

27、g （含电池）（含电池）2022-4-1265超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚2022-4-1266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2022-4-1267双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头2022-4-1268双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）2022-4-1269超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得超声波的往返时间，就可测得液体的液面。液体的液面。 2022-4-1270超

28、声波液位计原理超声波液位计原理 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 2022-4-1271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2022-4-1272超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率收电路。发射器发射出频率 f=40kHz40kHz左右的超左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为度为 v，从人体反射回接收器的超声波将由于，从人体反射回接收器的超声波将

29、由于多普勒效应，而发生频率偏移多普勒效应，而发生频率偏移 f。 2022-4-1273本章作业本章作业p108：2、3、52022-4-1274休息一下休息一下2022-4-1275第四节第四节 无损探伤无损探伤 一、无损探伤的基本概念一、无损探伤的基本概念 人们在使用各种材料人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。器、宇航器、核设备等。 路轨断裂事故路轨断裂事故2022-4-

30、1276无损探伤的方法无损探伤的方法 对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损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。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（法、荧光染色渗透法、放射线（x x光、中子）光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。照相检测法、超声波探伤法等。 2022-4-1277磁粉检测法磁粉检测法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，将磁粉检喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上

31、，通以数百安培的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。纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。2022-4-1278X X光探伤光探伤 将将x x光发生器对准被测位置，将感光片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。感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。2022-4-1279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） 计算机断层成像技计算机断层成像技术术 (CT) 是一种重要的是一种重要的 无无 损损 检检 测测 技技 术术 (NDT) ，是物理学与计，是物理学与计算机科学的发展产物。算机科学的发展产物。它是基于射线与物质的它是基于