《检测技术》-第７章　超声波传感器

７.１超声波传感器的原理７.１.１超声波的物理基础振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在１６～２×１０４Ｈｚ，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于１６Ｈｚ的机械波，称为次声波；高于２×１０４Ｈｚ的机械波，称为超声波，如图７－１所示。当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波形也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，如图７－２（ａ）所示。它能在固体、液体和气体中传播。为了测量在各种状态下的物理量，检测技术中多采用纵波。下一页返回７.１超声波传感器的原理质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如图７－２（ｂ）所示。它只能在固体中传播。质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体表面传播。超声波的传播速度与介质的密度和弹性系数有关。同种介质不同的波形，或同一波形不同的介质，其传播速度都不相同。超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生反射与折射现象，如图７－３所示，图中具有下列关系上一页下一页返回７.１超声波传感器的原理超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。设超声波进入介质时的强度为Ｉ０，通过介质后的强度为Ｉ，如图７－４所示。则有对于固体介质，超声波能量的吸收系数为上一页下一页返回７.１超声波传感器的原理７.１.２超声波的发生超声波是由超声波发生器产生的。超声波发生器主要是电声型，它将电磁能转换成机械能。其结构分为两部分：一部分为产生高频电流或电压的电源；另一部分为换能器，它的作用是将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。１.压电式超声波发生器压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。在压电元件上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图７－５所示。上一页下一页返回７.１超声波传感器的原理压电材料的固有频率与晶片厚度ｄ有关，即ｃ———波在压电材料中的传播速度（纵波）。根据共振原理，当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。压电式超声波发生器可以产生几万赫兹到几十兆赫兹的高频超声波，产生的声强可达１０Ｗ／ｃｍ２。上一页下一页返回７.１超声波传感器的原理２.磁致伸缩超声波发生器铁磁性物质在交变的磁场中，顺着磁场方向产生伸缩的现象，叫作磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。磁致伸缩超声波发生器是把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。磁致伸缩超声波发生器是用厚度为０.１～０.４ｍｍ的镍片叠制而成。片间绝缘以减少涡流损耗。其结构有矩形、窗形等，如图７－６所示。上一页下一页返回７.１超声波传感器的原理７.１.３超声波的接收在超声波技术中，除需要能产生一定频率及强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。当超声波作用于压电晶片时，晶片产生正压电效应而产生交变电荷，经电压放大器或电荷放大器放大，最后记录或显示出结果。其结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。上一页下一页返回７.１超声波传感器的原理磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用于磁致伸缩材料上时，使材料伸缩，引起它的内部磁场（即导磁特性）的变化。根据电磁感应原理，磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动势，将此电动势送至测量电路并记录显示，可得测量结果。它的结构也与发生器类似。上一页返回７.２超声波传感器的应用超声波已被广泛地应用于工业各技术领域的非接触测量。７.２.１超声波探伤对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，遇到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。下一页返回７.２超声波传感器的应用１.穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头分别置于工件的相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。其工作原理如图７－７所示。２.反射法探伤反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷的方法。下面以纵波的一次脉冲反射为例，说明其检测原理。上一页下一页返回７.２超声波传感器的应用图７－８所示为以一次底波为依据进行探伤的方法。高频脉冲发生器产生的脉冲加在探头上，激励压电晶体振荡，产生超声波。超声波以一定的速度向工件的内部传播。一部分超声波遇到缺陷反射回来（缺陷波Ｆ）；另一部分超声波继续传至工件底面也反射回来（底波Ｂ）。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收，又变为电脉冲。发射波Ｔ、缺陷波Ｆ及底波Ｂ经放大后在显示器荧光屏上显示出来。由发射波Ｔ、缺陷波Ｆ及底波Ｂ在扫描线上的位置，可确定缺陷的位置；由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小；由缺陷波的形状，可判断缺陷的性质。当缺陷面积大于声速截面积时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有Ｔ波、Ｆ波，没有Ｂ波。当工件内无缺陷时，荧光屏上只有Ｔ波、Ｂ波，没有Ｆ波。上一页下一页返回７.２超声波传感器的应用７.２.２超声波测液位超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如图７－９所示。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间ｔ后，探头接收到从液面反射回来的回波脉冲。因此，探头到液面的距离可由下式求出由此可见，只要知道超声波的传播速度，通过精确测量时间ｔ的方法，就可测量距离Ｌ。上一页下一页返回７.２超声波传感器的应用７.２.３超声波测厚度在超声波测厚度技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法，其工作原理如图７－１０所示。脉冲回波法测量工件厚度的原理，主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中的传播速度求出工件的厚度。图７－１０中主控制器产生一定频率的脉冲信号，并控制发射电路把它经电流放大后接到超声波发生器上去。超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后，被底面反射回来，并由同一个超声波发生器接收。接收到的脉冲信号经放大器加至示波器的垂直偏转板上。标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号，也加至示波器的垂直偏转板上。上一页下一页返回７.２超声波传感器的应用扫描电压加至示波器的水平偏转板上。这样，在示波器荧光屏上就可以直接观察到发射脉冲与接收脉冲。根据横轴上的时间标记可知从发射到接收的时间间隔ｔ，则工件的厚度ｄ可由下式求得标记信号一般可以调节，根据测量的要求选择。如果预先用