第3講_超聲檢測_2

1、 工業(yè)上許多構件的厚度都需要進行精密的厚度無損檢測，例如生產(chǎn)線上壓制工業(yè)上許多構件的厚度都需要進行精密的厚度無損檢測，例如生產(chǎn)線上壓制的板材厚度、管材的壁厚的在線檢測，船舶殼體、高溫高壓容器、核電站中的的板材厚度、管材的壁厚的在線檢測，船舶殼體、高溫高壓容器、核電站中的不銹鋼管道、輸油輸氣管線的管道等在役的厚度腐蝕檢測等。不銹鋼管道、輸油輸氣管線的管道等在役的厚度腐蝕檢測等。 超聲測厚是一個成熟的超聲檢測應用領域。廣泛用于各種板材、管材壁厚、超聲測厚是一個成熟的超聲檢測應用領域。廣泛用于各種板材、管材壁厚、鍋爐、容器壁厚及其局部腐蝕、銹蝕的情況。例如，西安化工廠在鍋爐、容器壁厚及其局部腐蝕、銹

2、蝕的情況。例如，西安化工廠在7臺大型液氯臺大型液氯貯罐檢測中，超聲測厚，查出貯罐檢測中，超聲測厚，查出2臺罐體多處壁厚僅有臺罐體多處壁厚僅有9mm(原設計原設計16mm)，已接，已接近最小允許極限，決定停止使用。超聲測厚對冶金、造船、機械、化工、電力、近最小允許極限，決定停止使用。超聲測厚對冶金、造船、機械、化工、電力、原子能等各工業(yè)部門的產(chǎn)品檢驗，對設備安全運行以及現(xiàn)代化管理起著重要的原子能等各工業(yè)部門的產(chǎn)品檢驗，對設備安全運行以及現(xiàn)代化管理起著重要的作用。作用。 目前，超聲測厚的范圍，我國是目前，超聲測厚的范圍，我國是1.2至至200mm，精度，精度 mm。國外是。國外是0.2至至60mm

3、，精度，精度: 以下，小于以下，小于10mm時精度時精度 mm，0.25至至50Omm時精度為時精度為13%。激光超聲檢測已進入了測厚領域。實驗表明。激光超聲檢測已進入了測厚領域。實驗表明:激光超聲比常規(guī)超激光超聲比常規(guī)超聲方法的絕對聲速測量精度可提高聲方法的絕對聲速測量精度可提高10倍，而且提高了測量薄件的能力。當前已倍，而且提高了測量薄件的能力。當前已普遍實行了小型化、數(shù)學化、帶微機及多通道等技術。并可自動或連續(xù)超聲測普遍實行了小型化、數(shù)學化、帶微機及多通道等技術。并可自動或連續(xù)超聲測厚。厚。 1%0.10.3%0.01 超聲測厚具有很多優(yōu)點：它的測量精度高，在測量幾毫米以上的厚度超聲測厚

4、具有很多優(yōu)點：它的測量精度高，在測量幾毫米以上的厚度時，可達時，可達0.1%0.5%的精度，超聲波處理方便，并有良好的指向性，的精度，超聲波處理方便，并有良好的指向性，超聲技術測量金屬、非金屬材料的厚度，既快又準確，無污染，尤其是超聲技術測量金屬、非金屬材料的厚度，既快又準確，無污染，尤其是在只許可一個側面可接觸的場合更能顯示其優(yōu)越性。在只許可一個側面可接觸的場合更能顯示其優(yōu)越性。 超聲測厚的主要超聲測厚的主要方法有方法有共振法、干涉法、脈沖回波法共振法、干涉法、脈沖回波法等多種方法。等多種方法。 超聲共振法測厚的原理是，當一束頻率連續(xù)可變的超聲波，垂直入射超聲共振法測厚的原理是，當一束頻率連

5、續(xù)可變的超聲波，垂直入射到有一定厚度的被測工件上時，設超聲波頻率變化到一定值上時，被測到有一定厚度的被測工件上時，設超聲波頻率變化到一定值上時，被測工件的厚度等于半波長的整數(shù)倍，這時，從工件后表面反射回來的聲波工件的厚度等于半波長的整數(shù)倍，這時，從工件后表面反射回來的聲波和入射的行波疊加形成駐波，即在工件厚度方向上引起共振。和入射的行波疊加形成駐波，即在工件厚度方向上引起共振。 超聲共振法測厚的原理是，當一束頻率連續(xù)可變的超聲波，垂直入射超聲共振法測厚的原理是，當一束頻率連續(xù)可變的超聲波，垂直入射到有一定厚度的被測工件上時，設超聲波頻率變化到一定值上時，被測到有一定厚度的被測工件上時，設超聲波

6、頻率變化到一定值上時，被測工件的厚度等于半波長的整數(shù)倍，這時，從工件后表面反射回來的聲波工件的厚度等于半波長的整數(shù)倍，這時，從工件后表面反射回來的聲波和入射的行波疊加形成駐波，即在工件厚度方向上引起共振。和入射的行波疊加形成駐波，即在工件厚度方向上引起共振。 設工件的厚度為設工件的厚度為 ，聲波在介質中傳播的波長為，聲波在介質中傳播的波長為 則則d2dn(1,2,3,.)n 2ncdnf(1,2,3,.)n 如果已知兩個不相鄰的諧波頻率如果已知兩個不相鄰的諧波頻率 ,nmff2mnmn cdff1mnffmn f 此種方法原理雖簡單，但實現(xiàn)起來很不容易，因為激發(fā)換能器的發(fā)生器和換此種方法原理雖

7、簡單，但實現(xiàn)起來很不容易，因為激發(fā)換能器的發(fā)生器和換能器的頻率范圍都要在較寬的范圍內(nèi)可調，使之產(chǎn)生共振，從而使這個原理簡能器的頻率范圍都要在較寬的范圍內(nèi)可調，使之產(chǎn)生共振，從而使這個原理簡單的問題復雜化單的問題復雜化 超聲干涉式測厚原理是當一束聲波垂直入射到被測工件上時，由于超聲干涉式測厚原理是當一束聲波垂直入射到被測工件上時，由于工件在空氣中工件在空氣中 (或其它異性介質中或其它異性介質中)存在兩個界面，聲波從前表面上反射存在兩個界面，聲波從前表面上反射和從后表面上反射后疊加產(chǎn)生干涉，如果工件的厚度恰好是聲波的半波和從后表面上反射后疊加產(chǎn)生干涉，如果工件的厚度恰好是聲波的半波長長 的整數(shù)倍時

8、，若兩個信號的相位相差的整數(shù)倍時，若兩個信號的相位相差 即反相疊加，干涉后相即反相疊加，干涉后相互抵消，這時顯示的聲強度等于或接近于零而趨于最小。此時通過測量互抵消，這時顯示的聲強度等于或接近于零而趨于最小。此時通過測量聲波頻率即可測出工件的厚度。干涉法不同于共振法原理，干涉法是工聲波頻率即可測出工件的厚度。干涉法不同于共振法原理，干涉法是工件前后表面上反射波的干涉疊加，并根據(jù)聲波幅度的變化來判斷干涉狀件前后表面上反射波的干涉疊加，并根據(jù)聲波幅度的變化來判斷干涉狀態(tài)。另外，發(fā)射和接收換能器可以和被測工件分開，互不接觸。而共振態(tài)。另外，發(fā)射和接收換能器可以和被測工件分開，互不接觸。而共振法是入射

9、聲波和后表面上的反射聲波疊加而產(chǎn)生共振，即形成駐波，另法是入射聲波和后表面上的反射聲波疊加而產(chǎn)生共振，即形成駐波，另外，發(fā)射和接收換能器必須和被測工件表面相接觸。外，發(fā)射和接收換能器必須和被測工件表面相接觸。 超聲干涉式測厚可以使用連續(xù)波也可以使用脈沖波，使用連續(xù)波時超聲干涉式測厚可以使用連續(xù)波也可以使用脈沖波，使用連續(xù)波時發(fā)射換能器和接收換能器必須分開，脈沖波二者可以兼用。發(fā)射換能器和接收換能器必須分開，脈沖波二者可以兼用。 /2180 脈沖反射法測量厚度適應性較強，無論被測介質是固體，液體或氣體均可脈沖反射法測量厚度適應性較強，無論被測介質是固體，液體或氣體均可進行測量。一般在氣體中的測量

10、稱為超聲測距，或稱聲尺。在本章的超聲測量進行測量。一般在氣體中的測量稱為超聲測距，或稱聲尺。在本章的超聲測量流量、物位等節(jié)中，已經(jīng)提到因為在氣體介質中，聲速隨溫度變化很大，直接流量、物位等節(jié)中，已經(jīng)提到因為在氣體介質中，聲速隨溫度變化很大，直接影響測量量精度，所以，在測距中必須進行溫度補償。影響測量量精度，所以，在測距中必須進行溫度補償。 脈沖反射式的厚度測量可分為兩種測量方法：一是接觸式測量厚度，二是脈沖反射式的厚度測量可分為兩種測量方法：一是接觸式測量厚度，二是非接觸式測量，接觸式測量一般用于普通工件的厚度測量。非接觸式厚度測量非接觸式測量，接觸式測量一般用于普通工件的厚度測量。非接觸式厚

11、度測量用于復雜惡劣環(huán)境中，探頭不易和工件表面接觸，如高溫、高壓、或具有強烈用于復雜惡劣環(huán)境中，探頭不易和工件表面接觸，如高溫、高壓、或具有強烈腐蝕性的環(huán)境。一般接觸式的探頭可通過改制成水浸聚焦探頭，從而和工件表腐蝕性的環(huán)境。一般接觸式的探頭可通過改制成水浸聚焦探頭，從而和工件表面脫離，但這時的測量要分兩部分：一部是探頭距工件表面的距離，這部分是面脫離，但這時的測量要分兩部分：一部是探頭距工件表面的距離，這部分是聲在水中傳播的距離，第二部分是在工件中傳播的距離。聲在水中傳播的距離，第二部分是在工件中傳播的距離。 超聲測厚是超聲工程測量方面一個重要應用。在工業(yè)生產(chǎn)的實際運用中，超聲測厚是超聲工程測

12、量方面一個重要應用。在工業(yè)生產(chǎn)的實際運用中，還存在許多問題，如探頭的分辨率如何提高，降低探頭的盲區(qū)問題以及在電子還存在許多問題，如探頭的分辨率如何提高，降低探頭的盲區(qū)問題以及在電子線路中如何實現(xiàn)等問題都有待于認真研究解決，才能提高厚度檢測的質量。目線路中如何實現(xiàn)等問題都有待于認真研究解決，才能提高厚度檢測的質量。目前超聲測厚技術的發(fā)展主要集中在三個方面：一是對于超薄材料前超聲測厚技術的發(fā)展主要集中在三個方面：一是對于超薄材料 ( (如如: :薄膜等薄膜等) )的測厚問題。二是高溫材料的測厚問題。三是在線檢測厚度的自動化，智能化的測厚問題。二是高溫材料的測厚問題。三是在線檢測厚度的自動化，智能化

13、問題。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步，這些問題將會得到解決的。問題。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步，這些問題將會得到解決的。 脈沖反射式超聲測厚法是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種方法，因為它具有結構簡脈沖反射式超聲測厚法是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種方法，因為它具有結構簡單，操作方便，容易實現(xiàn)等特點而被廣泛采用。共振法和干涉法在使用中受到單，操作方便，容易實現(xiàn)等特點而被廣泛采用。共振法和干涉法在使用中受到限制，如所測的厚度受到限制，被測工件不能太厚，否則會因聲能衰減較多，限制，如所測的厚度受到限制，被測工件不能太厚，否則會因聲能衰減較多，回波能量太小不能產(chǎn)生共振，這些問題都會給在實際測量中帶來許多不便。回波能量

14、太小不能產(chǎn)生共振，這些問題都會給在實際測量中帶來許多不便。 脈沖回波法是根據(jù)脈沖聲波在工件中傳播的時間間隔與其在工件中傳播的脈沖回波法是根據(jù)脈沖聲波在工件中傳播的時間間隔與其在工件中傳播的速度的乘積而確定工件的厚度速度的乘積而確定工件的厚度 的，如果采用透射法，則只需測出聲波從發(fā)射的，如果采用透射法，則只需測出聲波從發(fā)射探頭發(fā)出經(jīng)工件傳播，再由接收探頭接收到聲波的時間間隔探頭發(fā)出經(jīng)工件傳播，再由接收探頭接收到聲波的時間間隔 與在工件中傳播與在工件中傳播的聲速的聲速 的乘積即可求出厚度的乘積即可求出厚度 。采用脈沖反射法時，因為聲波從探頭發(fā)出經(jīng)。采用脈沖反射法時，因為聲波從探頭發(fā)出經(jīng)工件傳至后表

15、面，再由后界面處反射回探頭被接收，兩次經(jīng)過工件傳播，所以，工件傳至后表面，再由后界面處反射回探頭被接收，兩次經(jīng)過工件傳播，所以，工件厚度工件厚度式中式中 是聲波在工件中傳播的速度，是聲波在工件中傳播的速度， 是聲波從發(fā)出到接收的時間間隔。是聲波從發(fā)出到接收的時間間隔。 ddttcc2c tdd 用超聲技術測量流量是超聲在工業(yè)檢測中應用較早的方面之一。在用超聲技術測量流量是超聲在工業(yè)檢測中應用較早的方面之一。在石油化工、塑料工業(yè)、水文監(jiān)測以及人體的血液流量等方面都要用到流石油化工、塑料工業(yè)、水文監(jiān)測以及人體的血液流量等方面都要用到流量計，它與浮子流量計等比較有以下優(yōu)點：量計，它與浮子流量計等比較

16、有以下優(yōu)點：(1)(1)非接觸檢測特點，不接觸介質，測量時不會干擾介質的流動狀態(tài)，非接觸檢測特點，不接觸介質，測量時不會干擾介質的流動狀態(tài)，因而對管道內(nèi)流體不產(chǎn)生附加作用。因而對管道內(nèi)流體不產(chǎn)生附加作用。(2)(2)超聲方法檢測流量，因為它是非接觸式，所以不受流體本身的物超聲方法檢測流量，因為它是非接觸式，所以不受流體本身的物理性質及化學性質的影響，如流體的粘滯性，導電性以及混濁程度等理性質及化學性質的影響，如流體的粘滯性，導電性以及混濁程度等的影響。這種檢測流量的方法不受環(huán)境約束，適應性較強。的影響。這種檢測流量的方法不受環(huán)境約束，適應性較強。(3)(3)超聲流量計的讀數(shù)與流量成線性關系，可

17、以作成直讀式或記錄式超聲流量計的讀數(shù)與流量成線性關系，可以作成直讀式或記錄式的，使用都很方便。的，使用都很方便。目前，常用的超聲測量流量的方法有以下幾種目前，常用的超聲測量流量的方法有以下幾種 這幾種測量流體流量的方法都是先測出流體流動的速度，進而獲得流體流這幾種測量流體流量的方法都是先測出流體流動的速度，進而獲得流體流量。因為一般情況下，流體的截面積易于獲得，流量量。因為一般情況下，流體的截面積易于獲得，流量 可由下式表示可由下式表示式中式中 是管道中流體平均的流動速度，是管道中流體平均的流動速度， 是管道中流體的橫截面積。管道里流是管道中流體的橫截面積。管道里流速的測量和空氣中風速的測量原

18、理類似，但具體實現(xiàn)起來的方法有所不同。速的測量和空氣中風速的測量原理類似，但具體實現(xiàn)起來的方法有所不同。聲環(huán)法時差法 脈沖間隔法相差法超聲測量流量聲束偏轉法多普勒法QVAQAV 時差法測量流體流量是聲脈沖在管道內(nèi)流體中順流傳播和逆流傳播時差法測量流體流量是聲脈沖在管道內(nèi)流體中順流傳播和逆流傳播的時間差來求得流量的，時差法具體有三種測量法分別介紹如下：的時間差來求得流量的，時差法具體有三種測量法分別介紹如下： (1) (1) 聲環(huán)法聲環(huán)法 聲環(huán)法亦稱頻差法，其測量原理如圖所示聲環(huán)法亦稱頻差法，其測量原理如圖所示DV1T2R2T1Rcc聲環(huán)法測量流量原理圖聲環(huán)法測量流量原理圖 第一組一發(fā)一收探頭順

19、著流體流動第一組一發(fā)一收探頭順著流體流動的方向發(fā)射，并與流體流動的速度的方向發(fā)射，并與流體流動的速度成角度成角度 ，這時使發(fā)射探頭，這時使發(fā)射探頭 發(fā)出發(fā)出的聲波以自身的傳播速度的聲波以自身的傳播速度 和流體和流體流動的速度流動的速度 在聲波傳播方向上的在聲波傳播方向上的分量分量 的合成速度即的合成速度即 進進行傳播。行傳播。第二組一發(fā)一收探頭是逆著流體流動的方向發(fā)射，并于流體流動的方向第二組一發(fā)一收探頭是逆著流體流動的方向發(fā)射，并于流體流動的方向成成 角，其合成速度為角，其合成速度為 。假定圓管的直徑為。假定圓管的直徑為 ，則兩次發(fā)射聲波，則兩次發(fā)射聲波在其方向上傳播的時間各自為在其方向上傳

20、播的時間各自為: : 1TVccosVcosc Vcosc VD1cosLtcV2cosLtcVsinDL 在實際測量中經(jīng)常用一組探頭，這一組探頭是用收發(fā)兩用材料構成的，既可以發(fā)射聲波又可以接收聲波。聲環(huán)法的基本原理是當探頭 受電信號激勵后發(fā)射聲波，在流體介質(下簡稱流介)中傳播后被探頭 接收，然后再經(jīng)放大后的電脈沖去激勵探頭 ，形成一次循環(huán)過程，即1T1T1R1T 流介流介 11RT 如果忽略其它延遲因素，其脈沖的重復周期，也就是聲波在流體介如果忽略其它延遲因素，其脈沖的重復周期，也就是聲波在流體介質中的傳播時間為質中的傳播時間為 1cosLtcV1coscVfL 相反從探頭相反從探頭 ，發(fā)

21、出的聲脈沖經(jīng)流介傳播之后被，發(fā)出的聲脈沖經(jīng)流介傳播之后被 接收。轉換成電接收。轉換成電信號經(jīng)放大后再返回激勵信號經(jīng)放大后再返回激勵 ，形成一次循環(huán)即，形成一次循環(huán)即 1R1T1R1R 流介流介 11TR其脈沖重復頻率其脈沖重復頻率 1R 流介流介 11TR2coscVfL12coscos2coscVcVVLfffLLL 流速流速 流量流量2cos2sincosL fD fV2328 sincosDDfQV如果聲脈沖是從如果聲脈沖是從 發(fā)出發(fā)出 接收，聲波在流體介質中傳播的時間接收，聲波在流體介質中傳播的時間 當當 1T1R1t1cosLtcV如果聲脈沖是從如果聲脈沖是從 發(fā)出發(fā)出 接收，聲波在

22、流體介質中傳播的時間接收，聲波在流體介質中傳播的時間 1R1T2t2cosLtcV212222 coscoscoscosLLvtttcVcVcV 222coscV22cosVLtc sinDL22DVtctgc 流速流速 22ctVDctg 流量流量2228DDQVct tg 借助于聲束在流介中位移的方法也可以測量流量。由于流體在流動時，把探頭發(fā)射的聲波向前擾動了一個位置，使得聲束向前偏移了 距離。如圖所示 LDLABVT原聲束和被擾動后的聲束之間的夾角為 VLtgcDLVcD244DLcDQV流量流量流速流速 DLABVTTT1R1R1R2R2R2RL超聲多普勒測流量的方法是常用的一種方法，

23、其原理如圖所示超聲多普勒測流量的方法是常用的一種方法，其原理如圖所示。TTRRffTfRRfcoscosRTcVffcV多普勒頻移為接收換能器接收到的聲波多普勒頻移為接收換能器接收到的聲波頻率與發(fā)射換能器發(fā)射聲波頻率之差即頻率與發(fā)射換能器發(fā)射聲波頻率之差即2 coscosRTTVffffc V 超聲多普勒測流量的方法是常用的一種方法，其原理如圖所示超聲多普勒測流量的方法是常用的一種方法，其原理如圖所示。coscV2 coscosRTTVffffc V 2cosTVffc 流速流速 2cosTfcVf流量流量 2248cosTDDfcQVf超聲方法檢測流量，其測量誤差大致可以包括以下幾方面超聲方

24、法檢測流量，其測量誤差大致可以包括以下幾方面 被測介質的溫度或濃度的變化將引起聲速的變化，從而產(chǎn)生測量流被測介質的溫度或濃度的變化將引起聲速的變化，從而產(chǎn)生測量流量的誤差。量的誤差。 在流速斷面上的流速分布不均勻，有一定梯度分布，象層流等的出在流速斷面上的流速分布不均勻，有一定梯度分布，象層流等的出現(xiàn)和理想化的流速分布不相同而引起的誤差現(xiàn)和理想化的流速分布不相同而引起的誤差。 對溫度引起的誤差修正，一般都是采用對溫度引起的誤差修正，一般都是采用折射式變換器，這樣把流體流速與頻移的關折射式變換器，這樣把流體流速與頻移的關系式中的流體聲速變換成固體聲導中的聲速，系式中的流體聲速變換成固體聲導中的聲

25、速，因為固體聲速的溫度系數(shù)比流體聲速的溫度因為固體聲速的溫度系數(shù)比流體聲速的溫度系數(shù)低一個數(shù)量級，這樣就可使流量測量的系數(shù)低一個數(shù)量級，這樣就可使流量測量的精度高一個數(shù)量級，折射式變換器的基本原精度高一個數(shù)量級，折射式變換器的基本原理如圖所示理如圖所示 由一個有機玻璃斜楔貼附在容器壁上，發(fā)射探頭由一個有機玻璃斜楔貼附在容器壁上，發(fā)射探頭 (或接收探頭或接收探頭)貼在斜楔斜面上貼在斜楔斜面上構成一個斜探頭，探頭發(fā)射的聲波經(jīng)過斜楔傳播經(jīng)管壁進入管道內(nèi)的流介，聲構成一個斜探頭，探頭發(fā)射的聲波經(jīng)過斜楔傳播經(jīng)管壁進入管道內(nèi)的流介，聲波經(jīng)斜楔進入流介時發(fā)生折射，根據(jù)折射定律有波經(jīng)斜楔進入流介時發(fā)生折射，根

26、據(jù)折射定律有11sinsinccsincos11cossincc11cossincc對多普勒方法測量流體流量進行修正對多普勒方法測量流體流量進行修正 這樣就用這樣就用 和和 代替了原來的代替了原來的 和和 ，也就是用固體（即有機玻璃），也就是用固體（即有機玻璃）中的聲速代替了流體中的聲速，因為固體的溫度系數(shù)低，因此降低了溫中的聲速代替了流體中的聲速，因為固體的溫度系數(shù)低，因此降低了溫度對聲速的影響，提高了測量精度。度對聲速的影響，提高了測量精度。2248cosTDDfcQVf11cossincc2118sinTfcDQf1c1sinccos 超聲測量物位是超聲測量中最常見的一種技術，其中包括液

27、位測超聲測量物位是超聲測量中最常見的一種技術，其中包括液位測量和料位測量兩個方面的內(nèi)容。量和料位測量兩個方面的內(nèi)容。 超聲液位測量大多采用脈沖回波法。根據(jù)傳聲介質的不同分為液介式，超聲液位測量大多采用脈沖回波法。根據(jù)傳聲介質的不同分為液介式，氣介式和固介式的三種形式。氣介式和固介式的三種形式。 精確測量出發(fā)射和接收聲脈沖之間的時間間隔，若知精確測量出發(fā)射和接收聲脈沖之間的時間間隔，若知(或測出或測出)聲波在介質聲波在介質中的傳播速度中的傳播速度 ，則探頭距液面的距離，則探頭距液面的距離 如果測量是液介式的，換能器必須安裝在液體中最低液位之下，如圖所示，如果測量是液介式的，換能器必須安裝在液體中

28、最低液位之下，如圖所示，這時這時 可認為是液位高度。若用氣介式的測量法，換能器是安裝在最高液位之可認為是液位高度。若用氣介式的測量法，換能器是安裝在最高液位之上的空氣介質里，如圖所示，這時液位的高度就不是上的空氣介質里，如圖所示，這時液位的高度就不是 而是探頭距底面的高度而是探頭距底面的高度 減去探頭距液面的高度減去探頭距液面的高度 即即cL12Lc tLLLH12hHLHc t 對于固介式的測量方式是把傳聲固體棒或管插入液體中，棒的上對于固介式的測量方式是把傳聲固體棒或管插入液體中，棒的上端要高出液面，發(fā)射或接收探頭安裝在棒的頂端上。發(fā)射和接收聲波端要高出液面，發(fā)射或接收探頭安裝在棒的頂端上

29、。發(fā)射和接收聲波是沿著固體傳播的，計算液位時式仍可適用，但這時式中的是沿著固體傳播的，計算液位時式仍可適用，但這時式中的 是固體是固體中傳播的聲速，中傳播的聲速， 是換能器到液面棒的長短。是換能器到液面棒的長短。cL 液介式和固介式屬于接觸測量。聲波在固體和液體中傳播時衰減液介式和固介式屬于接觸測量。聲波在固體和液體中傳播時衰減比較小，溫度系數(shù)也比較好，因而，聲速隨溫度變化比較小，聲阻抗比較小，溫度系數(shù)也比較好，因而，聲速隨溫度變化比較小，聲阻抗也容易匹配，因此一般所用超聲頻率也較高，甚至達兆赫級。氣介式也容易匹配，因此一般所用超聲頻率也較高，甚至達兆赫級。氣介式是非接觸測量形式。雖然安裝簡單

30、，使用方便，對換能器要求也不嚴是非接觸測量形式。雖然安裝簡單，使用方便，對換能器要求也不嚴格，但環(huán)境溫度變化對測量影響極大。另外在空氣中聲衰減也大。聲格，但環(huán)境溫度變化對測量影響極大。另外在空氣中聲衰減也大。聲阻抗也不容易匹配，所以，氣介式的換能器使用頻率一般較低，從幾阻抗也不容易匹配，所以，氣介式的換能器使用頻率一般較低，從幾十十 到幾百到幾百 。kHzkHz 料位測量和液位測量一樣，也可分為定點測量和連續(xù)測量兩種形料位測量和液位測量一樣，也可分為定點測量和連續(xù)測量兩種形式，因為測量對象都是大型容器或窯爐中的粉未狀，顆粒狀或塊狀的式，因為測量對象都是大型容器或窯爐中的粉未狀，顆粒狀或塊狀的物

31、質，所以，一般采用氣介式的測量方法。物質，所以，一般采用氣介式的測量方法。 料位的定點超聲測量比較現(xiàn)實的方法是空氣中的穿透方式，如圖料位的定點超聲測量比較現(xiàn)實的方法是空氣中的穿透方式，如圖所示所示發(fā)射探頭接收探頭料面 料位測量和液位測量一樣，也可分為定點測量和連續(xù)測量兩種形料位測量和液位測量一樣，也可分為定點測量和連續(xù)測量兩種形式，因為測量對象都是大型容器或窯爐中的粉未狀，顆粒狀或塊狀的式，因為測量對象都是大型容器或窯爐中的粉未狀，顆粒狀或塊狀的物質，所以，一般采用氣介式的測量方法。物質，所以，一般采用氣介式的測量方法。 料位的定點超聲測量比較現(xiàn)實的方法是空氣中的穿透方式，如圖料位的定點超聲測

32、量比較現(xiàn)實的方法是空氣中的穿透方式，如圖所示所示發(fā)射探頭接收探頭料面 超聲探頭收發(fā)分開布置超聲探頭收發(fā)分開布置在需要定點測量的料位高度在需要定點測量的料位高度的兩側，發(fā)射探頭受激勵后的兩側，發(fā)射探頭受激勵后發(fā)出超聲波，如果沒有料物發(fā)出超聲波，如果沒有料物阻擋，聲波在介質中直達接阻擋，聲波在介質中直達接收探頭被接收，收探頭被接收， 除空氣中聲能衰減外，可有一定強度的聲信號被接收，若收發(fā)探頭間有除空氣中聲能衰減外，可有一定強度的聲信號被接收，若收發(fā)探頭間有料物阻擋，聲波會在料物上被反射和散射以及吸收，使得到達接收探頭上的料物阻擋，聲波會在料物上被反射和散射以及吸收，使得到達接收探頭上的聲信號大為減

33、少，所以，和無阻擋時的換能器信號相差甚遠，這樣就可進行聲信號大為減少，所以，和無阻擋時的換能器信號相差甚遠，這樣就可進行料位的定點檢測。料位的定點檢測。 連續(xù)測量料位不能用穿透式氣介方式，而只能采用脈沖回波氣連續(xù)測量料位不能用穿透式氣介方式，而只能采用脈沖回波氣介方式進行檢測，如圖所示：介方式進行檢測，如圖所示： 可用單發(fā)單收探頭也可用收發(fā)可用單發(fā)單收探頭也可用收發(fā)共用一個探頭，探頭要裝在容器共用一個探頭，探頭要裝在容器頂部，使其和所加料位有一定的頂部，使其和所加料位有一定的距離，接收探頭接收到從料物反距離，接收探頭接收到從料物反射回來的聲波即可計算出料位的射回來的聲波即可計算出料位的高度。料

34、位測量不像液位那樣容高度。料位測量不像液位那樣容易檢測，而有一定的難度，其原易檢測，而有一定的難度，其原因：因： 進料口收發(fā)兩用探頭側壁反射回波 料位的料面不平坦，不整齊，而且有一定的傾斜面，再加上料物的顆粒料位的料面不平坦，不整齊，而且有一定的傾斜面，再加上料物的顆粒大，造成漫散射，能量損失大，接收探頭所接收到的聲信號比較小，有時側大，造成漫散射，能量損失大，接收探頭所接收到的聲信號比較小，有時側壁反射信號也會干擾檢測，必須在電路上采取一些有效措施，如壁反射信號也會干擾檢測，必須在電路上采取一些有效措施，如“選通門選通門”等辦法才可以有效濾除干擾。等辦法才可以有效濾除干擾。 料面檢測時只能測

35、量到料面某一處的高度，或由此而估算出料位的平料面檢測時只能測量到料面某一處的高度，或由此而估算出料位的平均高度，所以，料位的測量精度比較低。均高度，所以，料位的測量精度比較低。 高溫有粉塵飛揚等惡劣環(huán)境中，料面上空聲速形成一梯度變化，根據(jù)高溫有粉塵飛揚等惡劣環(huán)境中，料面上空聲速形成一梯度變化，根據(jù)式式 所測出的聲速所測出的聲速 ，而計算料位帶來的誤差也比較大。，而計算料位帶來的誤差也比較大。 由于加料和出料時機器轉動的噪聲，料塊之間的摩擦噪聲等都會影響由于加料和出料時機器轉動的噪聲，料塊之間的摩擦噪聲等都會影響檢測，但只要在頻率選擇上避開噪聲范圍，或采取濾波的方法都會收到檢測，但只要在頻率選擇

36、上避開噪聲范圍，或采取濾波的方法都會收到較好效果。如上述噪聲頻率較低，選用頻率較高的換能器，即可排除其較好效果。如上述噪聲頻率較低，選用頻率較高的換能器，即可排除其噪聲干擾。噪聲干擾。進料口收發(fā)兩用探頭側壁反射回波(1/2)Lc tc 圖中安裝了兩只相向的導管式超圖中安裝了兩只相向的導管式超聲換能器聲換能器1 1和和2 2。這兩只換能器都是。這兩只換能器都是收發(fā)兩用的，它們分別發(fā)射一定周收發(fā)兩用的，它們分別發(fā)射一定周期的脈沖信號，期的脈沖信號，1 1發(fā)射聲波時，發(fā)射聲波時，2 2接接收聲波；收聲波；2 2發(fā)射聲波時，發(fā)射聲波時，1 1接收聲波。接收聲波。兩只換能器之間的距離為兩只換能器之間的距

37、離為 。在空。在空氣中超聲的傳播是通過空氣的振動氣中超聲的傳播是通過空氣的振動進行的，在順風時，傳播速度快一進行的，在順風時，傳播速度快一些，逆風時，超聲傳播時間慢一些。些，逆風時，超聲傳播時間慢一些。L換能器12t1t換能器2V聲波由聲波由1傳到傳到2（順風時）所用時間為（順風時）所用時間為 ，聲波由，聲波由2傳到傳到1（逆風時）所用時間為（逆風時）所用時間為 ，設所要測量風速為，設所要測量風速為 ， 和和 可以用下面的方程式表示可以用下面的方程式表示1LtcV2LtcVL1t2tV1t2t211 22ttLVt t 可測量微風速，由于沒有向排風管內(nèi)插入任何物體，可測量微風速，由于沒有向排風

38、管內(nèi)插入任何物體，也沒有可動的機械部分，因此維修保養(yǎng)檢查方便。也沒有可動的機械部分，因此維修保養(yǎng)檢查方便。 氣體種類變化、環(huán)境溫度不受影響。因此輸出信號氣體種類變化、環(huán)境溫度不受影響。因此輸出信號呈線性，有利于數(shù)據(jù)處理及控制。呈線性，有利于數(shù)據(jù)處理及控制。 氣體溫度過高時，超聲波的衰減將增加氣體溫度過高時，超聲波的衰減將增加( ( 約約為為 ) )，有時導致不能測量。，有時導致不能測量。 當氣體中混入灰塵時，超聲向灰塵輻射時，產(chǎn)生散當氣體中混入灰塵時，超聲向灰塵輻射時，產(chǎn)生散射，使系統(tǒng)噪聲增加，從而引起測量精度下降。射，使系統(tǒng)噪聲增加，從而引起測量精度下降。30017dB 用超聲方法測量溫度大

39、約在用超聲方法測量溫度大約在100多年以前就有人提出這種設想，由多年以前就有人提出這種設想，由于各種條件所限沒有真正付諸實施，隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，于各種條件所限沒有真正付諸實施，隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，尤其是在一些特殊環(huán)境中測溫的需要，促使了超聲測溫技術的迅速進步。尤其是在一些特殊環(huán)境中測溫的需要，促使了超聲測溫技術的迅速進步。測溫技術應用相當廣泛，諸如化工、機械、冶金、塑料合成、超導技術、測溫技術應用相當廣泛，諸如化工、機械、冶金、塑料合成、超導技術、航空航天以及核反應等領域都需要進行溫度測量。一般的溫度計航空航天以及核反應等領域都需要進行溫度測量。一般的溫度計 (如水如水銀

40、溫度計等銀溫度計等)都是接觸測溫，使溫度計和被測介質相接觸，使被測介質的都是接觸測溫，使溫度計和被測介質相接觸，使被測介質的溫度和溫度計敏感部分溫度達以平衡后，以敏感部分的體積或高度來衡溫度和溫度計敏感部分溫度達以平衡后，以敏感部分的體積或高度來衡量溫度的高低，因為二者溫度平衡有一定的時間過程，所以，用這種溫量溫度的高低，因為二者溫度平衡有一定的時間過程，所以，用這種溫度計測量溫度比較慢。另外，這些溫度計在測溫時是由于體積或高度變度計測量溫度比較慢。另外，這些溫度計在測溫時是由于體積或高度變化來衡量溫度的高低，測量范圍受到一定限制，如以超高溫（溫度達化來衡量溫度的高低，測量范圍受到一定限制，如

41、以超高溫（溫度達1萬度以上）或超低溫測量萬度以上）或超低溫測量 (如如2K20K溫度溫度)都比較困難。超聲測溫有著都比較困難。超聲測溫有著測溫范圍寬，非接觸以及反應速度快，可遙測遙控等特點而被廣泛關注。測溫范圍寬，非接觸以及反應速度快，可遙測遙控等特點而被廣泛關注。 超聲測溫分為兩大類。一是直接測量空氣中的溫度，稱為氣介溫度超聲測溫分為兩大類。一是直接測量空氣中的溫度，稱為氣介溫度計。二是利用對溫度敏感的固體作為中間介質來測溫，稱為固介式的溫計。二是利用對溫度敏感的固體作為中間介質來測溫，稱為固介式的溫度計。度計。 氣介式溫度計不用中間介質作為測溫體，而是直接測量聲波在空氣氣介式溫度計不用中間

42、介質作為測溫體，而是直接測量聲波在空氣中的傳播速度，以求得空氣中的真實溫度。中的傳播速度，以求得空氣中的真實溫度?？諝庵械穆曀倏諝庵械穆曀?與絕熱溫度與絕熱溫度 ，水蒸氣張力，水蒸氣張力 ，氣壓，氣壓 之間的關系是之間的關系是cTeP20.0671 0.3192ecTP通常環(huán)境條件下，空氣中聲速與溫度的關系可表示為通常環(huán)境條件下，空氣中聲速與溫度的關系可表示為20.067cT22220.067402.684ccT 只要測知介質中的聲速只要測知介質中的聲速 便可求出溫度便可求出溫度 c若表示成攝氏溫度若表示成攝氏溫度 2273273402.684ctT 還可以利用測量聲波的傳播時間來求聲速。在介

43、紹風速的超聲測量還可以利用測量聲波的傳播時間來求聲速。在介紹風速的超聲測量中提到，超聲波順風時傳播距離中提到，超聲波順風時傳播距離 所需時間為所需時間為 ，逆風時傳播相同的距，逆風時傳播相同的距離所需時間為離所需時間為 ，且，且 和和 由下式表示：由下式表示： L1t2t1t2t1LtcV2LtcVV消去消去 121 22ttLct t 溫度溫度的測量與風速的測量一樣，只要測出超聲波的傳播時間就可的測量與風速的測量一樣，只要測出超聲波的傳播時間就可求出，因此，國外一些速度測量儀同時兼有溫度測量。求出，因此，國外一些速度測量儀同時兼有溫度測量。 固介式的超聲測溫原理是用一些對溫度比較敏感的固體元

44、件作為傳固介式的超聲測溫原理是用一些對溫度比較敏感的固體元件作為傳聲介質，測量出聲速隨溫度的變化，即可求出溫度。固介式的溫度計有聲介質，測量出聲速隨溫度的變化，即可求出溫度。固介式的溫度計有兩種類型，一種是以石英為敏感元件的石英溫度計；另一種是以細絲為兩種類型，一種是以石英為敏感元件的石英溫度計；另一種是以細絲為敏感元件做成的溫度計。主要介紹石英溫度計。敏感元件做成的溫度計。主要介紹石英溫度計。 石英晶體產(chǎn)生振蕩時，周圍環(huán)境溫度有微小的變化都能改變石英晶石英晶體產(chǎn)生振蕩時，周圍環(huán)境溫度有微小的變化都能改變石英晶體的振蕩頻率，因此，可利用石英晶體振蕩頻率的變化測量溫度。在一體的振蕩頻率，因此，可

45、利用石英晶體振蕩頻率的變化測量溫度。在一般情況下，石英晶體的振蕩頻率和溫度之間的關系為般情況下，石英晶體的振蕩頻率和溫度之間的關系為式中式中 為溫度，為溫度， 為一次、二次和三次方的溫度系數(shù)為一次、二次和三次方的溫度系數(shù) 230 1f tftttt, 當在當在 方式切割石英晶體時，才能使式中的方式切割石英晶體時，才能使式中的 這時關系式變這時關系式變?yōu)闉長C0 0 1f tft 上式表明石英振子的頻率和溫度成線性關系。利用這種原理制成了上式表明石英振子的頻率和溫度成線性關系。利用這種原理制成了石英溫度計。石英溫度計已被廣泛應用于科學研究領域。例如，在熱量石英溫度計。石英溫度計已被廣泛應用于科學

46、研究領域。例如，在熱量測定方面，對比熱、溶解熱、反應熱以及燃燒熱等的精確測定。另外還測定方面，對比熱、溶解熱、反應熱以及燃燒熱等的精確測定。另外還可以在海洋研究中測定海水的溫度?？梢栽诤Ｑ笱芯恐袦y定海水的溫度。 超聲測量硬度原理：一端固定的桿件另一端與機械負載相接觸，隨著超聲測量硬度原理：一端固定的桿件另一端與機械負載相接觸，隨著負載物理狀態(tài)及性能的變化，桿件自身的振動頻率將發(fā)生變化，亦即波負載物理狀態(tài)及性能的變化，桿件自身的振動頻率將發(fā)生變化，亦即波長發(fā)生變化，當桿件自由端不與負載接觸時，如左圖所示，桿的固定端長發(fā)生變化，當桿件自由端不與負載接觸時，如左圖所示，桿的固定端受到一定的約束力，振

47、動受到阻礙，振幅最小而形成節(jié)點，自由端振幅受到一定的約束力，振動受到阻礙，振幅最小而形成節(jié)點，自由端振幅最大形成腹點，這時桿的振動變成桿長的最大形成腹點，這時桿的振動變成桿長的 （ 是波長）的振動。是波長）的振動。 當桿的自由端與被測工件接觸時，由于工件的硬度不同，桿件的振當桿的自由端與被測工件接觸時，由于工件的硬度不同，桿件的振動頻率也不相同，所以桿振動波長也將從動頻率也不相同，所以桿振動波長也將從 變化到變化到 。如右圖所示。如右圖所示。1/41/41/2 當桿的自由端與待測材料或工件接觸時，材質較軟以致壓腳全部陷入當桿的自由端與待測材料或工件接觸時，材質較軟以致壓腳全部陷入材料而被壓死、

48、成為另外一個固定端，如圖所示。材料而被壓死、成為另外一個固定端，如圖所示。這時自由端的振幅也為零變成第二個節(jié)這時自由端的振幅也為零變成第二個節(jié)點，振動桿成為一個半波長的振動桿，點，振動桿成為一個半波長的振動桿，其諧振頻率約為其諧振頻率約為 ，所以，當用超聲測，所以，當用超聲測量硬度時，桿的振動頻率量硬度時，桿的振動頻率 依賴于自由依賴于自由端接觸負載的輕重，亦即隨金剛石壓角端接觸負載的輕重，亦即隨金剛石壓角與工件接觸松緊程度而變化。與工件接觸松緊程度而變化。 2/12 f0f 在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的工件來說，若工件或材料在固定負荷作用下，對于彈性模量相同的工件來說，若工件或材料的

49、硬度越低，壓痕就越大，金剛石壓角與工件表面接觸的面積也就越大，的硬度越低，壓痕就越大，金剛石壓角與工件表面接觸的面積也就越大，振動桿被壓緊的程度相應也就越大，于是，與工件接觸端的振幅就越小，振動桿被壓緊的程度相應也就越大，于是，與工件接觸端的振幅就越小，這時波腹點越靠近原有的固定端，桿件振動的波長就越短，相應振動的這時波腹點越靠近原有的固定端，桿件振動的波長就越短，相應振動的頻率就越高；相反，波腹點遠離原有固定端，則波長長，頻率低，所以，頻率就越高；相反，波腹點遠離原有固定端，則波長長，頻率低，所以，通過測量桿振動的頻率，即可得到工件或材料的硬度，這就是超聲測量通過測量桿振動的頻率，即可得到工件或材料的硬度，這就是超聲測量硬度的依據(jù)。為了克服材料的彈性模量大小對桿的諧振頻率影響，一般硬度的依據(jù)。為了克服材料的彈性模量大小對桿的諧振頻率影響，一般用彈性模量與待測材料相同的材料制成各種不同的校準試塊，以供測硬用彈性模量與待測材料相同的材料制成各種不同的校準試塊，以供測硬度時校準。度時校