《传感器技术及应用》-11.项目十一 超声波传感器探伤

知识目标：1.掌握超声波式传感器的工作原理；2.熟悉超声波式传感器的种类、结构类型；3.了解超声波式传感器的测量转换的电路；4.熟悉超声波式传感器的应用。能力目标：1.能够根据实际情况正确的选用超声波式传感器；2.能够正确安装超声波式传感器；3.能够使用超声波式传感器进行测量。4.能够对超声波式传感器的电路进行简单分析项目要求

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。

知识连接1、超声波传感器工作原理

超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置，习惯上又称为超声波换能器或超声波探头，它是利用超声波产生、传播及接收的物理特性工作的。

外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。

2、超声波传感器的组成及结构知识连接

它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3、超声波换能器及耦合技术知识连接

由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等。接触式斜探头（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30

、45

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。接插件底部耐磨材料各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz接触法双晶直探头

将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片各种双晶直探头

焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

水浸探头

选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。

聚焦探头

由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，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；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焦超声波。

聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百伏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。压电陶瓷的主要性能指标

1)介电常数：1000~60002)压电灵敏度D33

：300~600pC/N3)机械品质因素Q：100~20004)居里温度：300~400

C5）静电容：1000~100000pF（与面积有关）

6）频率范围：用于超声清洗：30~100KHz

用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz

用于雾化器：1~2MHz耦合剂

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，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。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。空气超声探头

a）

超声发射器

b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束

空气超声探头（续）

空气超声探头外形空气超声探头外形（续）项目实施—任务分析

超声传感器在微处理器的控制下，发射和接收超声波，并由超声波在空中的传播时间t来计算超声传感器与被测物之间的距离S,由于声波在空中传播的速度C是一定的，则根据：s=ct/2可计算出s，又因为超声传感器与容器的底部的距离H是一定的，则被测物的物(液)位h=H-s。项目实施—实施步骤1.用3号实验导线按照上图接线2.将液位流量模型的上水箱上的放水阀关闭，然后用容器对上水箱进行灌水操作（注意加

水不要超过刻度线）。3.按照超声波液位传感器的操作说明进行设置。4.然后打开“电源及仪表挂箱”总电源，电源5.观察此时超声波液位传感器上的显示，打开箱上的放水阀，测量不同高度下，超声波液位传感器的显示值。6.实验结束，将电源关闭后将导线整理好，放回原处。知识拓展声波的分类

1.次声波

次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz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。2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。3.超声波

蝙蝠能发出和听见超声波。

超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

超声波加湿器

超声波雾化器

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折射现象，

这一现象类似于光波。便携式超声波探鱼器应用拓展超声波探伤超声波流量传感器F1发射的超声波先到达

T129吉林电子信息职业技术学院测量流量原理分类

时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。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时间差

t，可得到流体的平均速度及流量。

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F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F1F2

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧吉林电子信息职业技术学院

在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。

超声波液位传感器超声波液位传感器原理1—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关超声波测量厚度

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，并被另一只压电晶片所接收。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t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度

手持式超声波测厚仪超声波用于高效清洗

当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，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。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“空化作用”，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。超声波清洗原理及清洗器