第七章 超聲波傳感器.ppt

1、2020/12/5,1,第七章 超聲波傳感器,本章主要學(xué)習(xí)超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測技術(shù)中的一些應(yīng)用，也涉及無損探傷的設(shè)備及方法。,2020/12/5,2,概述： 聲波的分類1.次聲波,次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。,2020/12/5,3,2.可聞聲波,美妙的音樂可使人陶醉。,2020/12/5,4,3.超聲波,蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。,2020/12/5,5,蝙蝠依靠超聲波捕食,2020/12/5,6,超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。,超聲波霧化器,

2、超聲波加濕器,2020/12/5,7,壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。,超聲波塑料焊接機(jī),2020/12/5,8,超聲波金絲焊接機(jī),2020/12/5,9,超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。,便攜式超聲波探魚器,2020/12/5,10,超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用,胎兒的 B超影像,2020/12/5,11,超聲波用于高效清洗,當(dāng)弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波

3、信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。,2020/12/5,12,超聲波清洗原理及清洗器（參考湖南省瀏陽市醫(yī)用儀具廠 、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）,超聲換能器,氣泡,波浪,清洗物,2020/12/5,13,第一節(jié) 超聲波物理基礎(chǔ),頻率高于20

4、kHz的機(jī)械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。,2020/12/5,14,超聲波的波型分類,超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。,2020/12/5,15,縱波,2020/12/5,16,橫波,2020/12/5,17,表面波,2020/12/5,18,第二節(jié) 超聲波換能器及耦合技術(shù),超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。超聲

5、波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。,2020/12/5,19,各種超聲波探頭 （以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）,常用頻率范圍：0.510MHz，常見晶片直徑：530mm,接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）,外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。,保護(hù)膜,接插件,2020/12/5,20,接觸式 直探頭原理,超聲脈沖電壓輸入端,接地端,2020/12/5,21,接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）,壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，

6、當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。,底部耐磨材料,接插件,2020/12/5,22,各種接觸式斜探頭,常用頻率范圍：15MHz,2020/12/5,23,接觸法雙晶直探頭,將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。,發(fā)射晶片,接收晶片,2020/12/5,24,各種雙晶直探頭,焦距范圍：540mm, 頻率范圍：2.55

7、MHz，鋼中折射角：45 70,2020/12/5,25,接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）,2020/12/5,26,水浸探頭（可用自來水作為耦合劑）,選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點(diǎn)聚焦或線聚焦。,2020/12/5,27,聚焦探頭,由于超聲波的波長很短（毫米數(shù)量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細(xì)的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。 聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也可以利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。,2020/12/5,28,聚焦探頭原理及外形,水浸聚焦探頭,2020/12/5

8、,29,超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片,將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。,2020/12/5,30,壓電陶瓷的主要性能指標(biāo),1) 介電常數(shù) ：10006000 2) 壓電靈敏度D33 ：300600pC/N 3) 機(jī)械品質(zhì)因素Q：1002000 4) 居里溫度：300400 C 5）靜電容：1000 100000pF（與面積有關(guān)） 6）頻率范圍： 用于超聲清洗：30100KHz 用于探傷儀及流量計：2.55MHz 用于霧化器：12MHz,2020/12/5,31,耦合劑,超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。,2020/12/5,32,空氣超聲探頭,a） 超聲發(fā)射器 b）超聲接收器 1外殼 2金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤 4壓電晶片 5引腳 6阻抗匹