超聲探頭簡(jiǎn)介

1、超聲探頭句光宇 1、 超聲波傳感器工作的原理1) 壓電效應(yīng)某些晶體材料受到外力作用時(shí)，不僅發(fā)生變形，而且內(nèi)部被極化表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又回到原來(lái)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 l 正壓電效應(yīng)：n 一些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；n 而當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；n 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；n 晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

2、的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。l 逆壓電效應(yīng)：n 如果給晶體施加以交變電場(chǎng)，晶體本身則產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，又稱電致伸縮效應(yīng)。n 壓電效應(yīng)具有可逆性。2)石英與壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理壓電式超聲波傳感器（超聲波探頭）是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，將高頻交變電場(chǎng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波（發(fā)射探頭）；再利用正壓電效應(yīng)將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（接收探頭)。發(fā)射探頭和接收探頭結(jié)構(gòu)基本相同，有時(shí)可用一個(gè)探頭完成兩種任務(wù)。l 石英晶體的壓電效應(yīng) X軸：電軸或1軸； Y軸：機(jī)械軸或2軸； Z軸：光軸或3軸。u “縱向壓電效應(yīng)”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷u “橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸（Y

3、軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷u 在光軸（Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。n 當(dāng)沿x軸方向加作用力Fx時(shí)，則在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 d11壓電系數(shù)（C/N）n 作用力是沿著y軸方向電荷仍在與x軸垂直的平面 （）n 切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系 圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。n 切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系： u 正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象。u 在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。u 沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷 。l 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)n 人工制造

4、的多晶體，壓電機(jī)理與壓電晶體不同。n 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖u 自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性。 u 壓電陶瓷片上加上一個(gè)與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來(lái)吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。u 放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系 Q 電荷量； d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F 作用力。 2、 決定換能器性能的關(guān)鍵

5、壓電材料1) 壓電材料的主要性能參數(shù)n 壓電應(yīng)變常數(shù)d33:表示在壓電晶體上施加單位電壓時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。u 衡量壓電晶體材料發(fā)射靈敏度高低的重要參數(shù)。其值大，發(fā)射性能好，發(fā)射靈敏度高。n 壓電電壓常數(shù)g33：表示作用在壓電晶體上單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。u 衡量壓電晶體材料接收靈敏度高低的重要參數(shù)。其值大，接收性能好，接收靈敏度高。 n 介電常數(shù)u 當(dāng)電容器極板距離和面積一定時(shí)，介電常數(shù)愈大，電容C也就愈大，即電容器所貯電雖就愈多。壓電晶體的應(yīng)根據(jù)不同用途來(lái)選取。超聲波探傷用的壓電晶體，頻率要求高，應(yīng)小一些。因?yàn)樾。珻小，電容器充放電時(shí)間短,頻率高。揚(yáng)聲器頻率低，應(yīng)大一些。n 機(jī)電耦合

6、系數(shù)K；表示壓電材料機(jī)械能(聲能)與電能之間的轉(zhuǎn)換效率。 n 機(jī)械品質(zhì)因子mu 壓電晶片在諧振時(shí)貯存的機(jī)械能E貯與在一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因子m。壓電晶片振動(dòng)損耗的能量主要是由內(nèi)摩擦引起的。m值對(duì)分辨力有較大的影響,m值大，表示損耗小，晶片持續(xù)振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，脈沖寬度大，分辨力低。反之，m值小，表示損耗大，脈沖寬度小，分辨力就高。n 頻率常數(shù)Ntu 說(shuō)明壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做頻率常數(shù)，用Nt表示。晶片厚度一定，頻率常數(shù)大的晶片材料的固有頻率高，厚度愈小。n 居里溫度Tc；使壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度。 n 要求具有與檢測(cè)介質(zhì)接近的聲阻抗2）常用壓

7、電晶片材料及其特點(diǎn)（性能指標(biāo)）l 第一類(lèi)壓電材料壓電單晶體；n 壓電單晶是天然形成或人工制成的、具有各向異性的單晶鐵電體材料，它具有壓電效應(yīng)是基于組成晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣上正負(fù)離子相對(duì)位置變化引起的。石英是一種常見(jiàn)的壓電單晶，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。n 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正

8、確地選擇石英片的切型。 l 第二類(lèi)壓電材料壓電多晶體（壓電陶瓷）；n 壓電陶瓷，一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。n 壓電陶瓷具有很高的壓電系數(shù)，因此在壓電式傳感器中應(yīng)用十分廣泛。n 鈦酸鋇壓電陶瓷BaTiO3：鈦酸鋇是由碳酸鋇和二氧化鈦按1：1克分子比例混合后充分研磨成形，經(jīng)高溫13001400oC燒結(jié)，然后經(jīng)人工極化處理得到的壓電陶瓷。這種壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足是居里溫度低（120oC），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。n 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由 PbTiO3 和

9、 PbZrO3 組成的固溶體 Pb（Zr、 Ti）O3 。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300oC以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。l 第三類(lèi)壓電材料極性高分子壓電材料；n 高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物，其壓電效應(yīng)較復(fù)雜，不僅要考慮晶格中均勻的內(nèi)應(yīng)變對(duì)壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn)，還要考慮高分子材料中作非均勻內(nèi)應(yīng)變所產(chǎn)生的各種高次效應(yīng)以及同整個(gè)體系平均變形無(wú)關(guān)的電荷位移而表現(xiàn)出來(lái)的壓電特性。n 目前已發(fā)現(xiàn)的壓電系數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯，其壓電效應(yīng)可采用類(lèi)似鐵電體的機(jī)理來(lái)解釋。這種聚合物中碳原子的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，經(jīng)過(guò)機(jī)械滾壓和拉伸制作成薄膜之后，帶負(fù)

10、電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對(duì)應(yīng)上下兩邊上，形成微晶偶極矩結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的外電場(chǎng)和溫度聯(lián)合作用后，晶體內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時(shí)的剩余極化的變化，引起了壓電效應(yīng)。l 第四類(lèi)壓電材料復(fù)合壓電材料n 壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷相和聚合物相按一定連通方式，一定的體積/重量，及一定的空間分布制作而成，它可以成倍地提高材料的壓電性能。n 復(fù)合材料使加工性能，以及與水的匹配性也大為改善。n 為了從本質(zhì)上極大地提高材料的壓電性能，將二元復(fù)合材料進(jìn)一步復(fù)合向三元或更多元方向發(fā)展，可望獲得更為優(yōu)異的壓電復(fù)合材料。3

11、、超聲波探頭的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)l 直探頭(縱波探頭)n 主要探測(cè)缺陷：探測(cè)與探測(cè)面平行的缺陷，如板材、鍛件探傷等。n 組成部分及各部分作用： u 壓電晶片作用是發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)電聲換能。u 保護(hù)膜是保護(hù)壓電晶片不致磨損。分為硬、軟保護(hù)膜兩類(lèi)。前者用于表面光潔度較高的工件。后者用于表面光潔度較低的工件探傷。當(dāng)保護(hù)膜的厚度為2/4的奇數(shù)倍，且保護(hù)膜的聲阻抗Z2為晶片聲阻抗Z1和工件聲阻抗Z3的幾何平均值時(shí)，超聲波全透射。u 吸收塊（阻尼塊）緊貼壓電晶片，對(duì)壓電晶片的振動(dòng)起阻尼作用。另外還可以吸收晶片背面的雜波，提高信噪比。并且支承晶片。u 外殼的作用在于將各部分組合在一起，并保護(hù)之。 l 斜探頭（

12、介紹橫波斜探頭）n 主要探測(cè)缺陷：與探測(cè)面垂直或成一定角度的缺陷，如焊縫探傷、汽輪機(jī)葉輪探傷等。n 組成部分及其作用（橫波斜探頭實(shí)際上是直探頭加透聲斜楔組成）：透聲斜楔的作用是實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換，使被探工中只存在折射橫波。n 標(biāo)稱方式：K=tg l 表面波探頭n 主要探測(cè)缺陷：表面或近表面缺陷nl 雙晶探頭(分割探頭)n 分類(lèi)：根據(jù)入射角L不同，分為雙晶縱波探頭和雙晶橫波探頭。n 優(yōu)點(diǎn)：u 靈敏度高 u 雜波少富區(qū)小u 工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小 u 探測(cè)范圍可調(diào)n 主要探測(cè)缺陷：近表面缺陷l 聚焦探頭n 分類(lèi)：點(diǎn)聚焦和線聚焦；水浸聚焦與接觸聚焦n 以水漫聚焦探頭為例說(shuō)明聚焦探頭的結(jié)構(gòu)原理聚焦探頭由直探頭和

13、聲透鏡組成。聲透鏡的作用就是實(shí)現(xiàn)波束聚焦。焦距F與聲透鏡的曲率半徑r之間關(guān)系為 ：l 可變角探頭n 入射角是可變的。轉(zhuǎn)動(dòng)壓電晶片使入射角連續(xù)變化,一般范圍為0-70，可實(shí)現(xiàn)縱、橫、表面和板波探傷。l 高溫探頭n 高溫探頭中的壓電晶片需選用居里溫度較高的鈮酸鋰(1200)、石英(550)、鈦酸鉛(460)來(lái)制作，外殼與阻尼塊為不銹鋼，電纜為無(wú)機(jī)物絕緣體高溫同軸電纜，前面殼體與晶片之間采用特殊釬焊使之形成高溫耦合層。這種探頭可在400-700高溫下進(jìn)行探傷。 4、超聲傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用n 超聲波傳感器在測(cè)量液位的應(yīng)用 ：超聲波測(cè)量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào),在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件,也不接觸被測(cè)液體,屬于非接觸式測(cè)量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強(qiáng)腐