传感器原理与技术课件：超声波的基本原理、超声波探头与耦合

Fundamentalsofultrasound,ultrasonicprobesandcoupling同学们，本节课我们一起来学习超声波的基本原理。超声波的基本原理、超声波探头与耦合超声波的基本原理、超声波探头与耦合流量及流速检测超声波超声波是频率超过人耳听觉频率极限(大约为20kHz)机械波的总称，频率超过人耳听觉频率极限机械波的总称20kHz气体液体固体超声波在标准条件下空气中的速度大约是340m/s，在水中的速度为1440m/s。340m/s1440m/s超声波空气的测距标准频率——20kHz高频率的声波有较好的指向性发散度比较大由于高频超声波在空气中的发散和吸收散射衰减，超声波测距一般都限制在短距离(几十米以内)。高频超声波发散和吸收散射衰减测距限制在短距离(几十米以内)由于声波在水中的吸收散射衰减要小得多，吸收散射衰减小得多方向性更好频率更高测量范围可达千米的量级1.超声波的频率。振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。1超声波的频率波振动在弹性介质内的传播——波动频率在20Hz～20kHz之间,人耳所能听到的机械波称为声波；20Hz～20kHz声波低于20Hz高于20kHz声波频率的界限划分如图4-3-1所示。图4-3-1声波频率的界限划分当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中传播速度不同,因此在介质表面会产生反射、折射和波形转换等现象。在两种介质中传播速度不同反射折射波形转换2.超声波的波形由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同,因此声波的波形也不同。2超声波的波形声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同声波的波形不同超声波的波形通常有以下几种。①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。超声波的波形种类①纵波质点振动方向波的传播方向②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波。②横波质点振动方向波的传播方向③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。③表面波质点的振动介于横波与纵波之间横波只能在固体中传播,纵波能在固体,液体和气体中传播,而表面波随深度的增加衰减很快。固体固体、液体，气体随深度的增加衰减很快为了测量各种状态下的物理量,多采用纵波。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波固体、液体，气体3.超声波的反射和折射超声波从一种介质传播到另一介质时,在两个介质的分界面上一部分被反射回原介质,这部分称为反射波；图4-3-3超声波的反射和折射3超声波的反射和折射这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射,如图4-3-3所示。接下来，我们来看看超声波探头。超声波探头换能晶片在电压的激励下发生振动频率高波长短绕射现象小方向好成为射线而定向传播以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。检测手段超声换能器超声探头超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。探测作用它有许多不同的结构，可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、直探头(纵波)斜探头(横波)表面波探头(表面波)兰姆波探头(兰姆波)双探头(反射\接收)其他专用探头超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片，构成晶片的材料可以有许多种。超声探头的核心塑料外套或者金属外套每个探头的性能不同大小、直径和厚度各不相同图4-3-5是压电式超声波探头的结构图,压电式超声波探头主要由压电晶片,吸收块（阻尼块）,保护膜等组成。图4-3-5压电式超声波探头的结构图压电晶片多为圆形板,厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压片晶体的两面镀有银层,作为导电的极板。超声波频率f与其厚度δ成反比厚度：δ导电极板吸收块的作用是降低晶片的机械品质,吸收声能量。降低晶片的机械品质吸收声能量激励电脉冲信号停止晶片继续振荡加长超声波脉冲宽度分辨率变差没有阻尼块无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在被测介质(特别是粗糙金属)表面来回移动，以防磨损。不能直接将其放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动以防磨损超声波的耦合更重要的是，由于超声探头与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层。空气薄层空气的密度很小，将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。空气的密度很小空气对超声波造成很大的衰减为此，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，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。充满在接触层中传递超声波耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。耦合剂的厚度应尽量薄一些减小耦合损耗常用的耦合剂有时为了减少耦合剂的成本，还可在单晶直探头、双晶直探头或斜探头的侧面，加工一个自来水接口。减少耦合剂的成本在使用时，自来水通过此孔压入到保护膜和试件之间的空隙中。使用完毕，将水迹擦干即可，这种探头称为水冲探头。水冲探头耦合剂的作用可以归纳为以下3点：（1）具有排除换能器与工件之间的空气，填充不平的凹坑和缝隙的功能，防止缝隙中的空气影响超声波的透射；耦合剂的作用排除换能器与工件之间的空气填充不平的凹坑和缝隙防止缝隙中的空气影响超声波的透射1减小超声波在界面上的反射声能增加穿过工件的透射声能2一定的粘度和流动性防止换能器在工件表面摩擦受损方便探头在工件表面进行移动3