y7章超聲波傳感器課件

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(cè)技術(shù)中的一些應(yīng)用，也涉及無損探傷的設(shè)備及方法。1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(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。22.可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。33.超聲波 蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。4蝙蝠依靠超聲波捕食5 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)7超聲波金絲焊接機(jī)8超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用 胎兒的 B超影像10超聲波用于高效清洗 當(dāng)

2、弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)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)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)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(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)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(gè)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)。11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）

3、超聲換能器氣泡波浪清洗物12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。 14縱波15表面波17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(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。超聲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。 18各種超聲波探頭 （以下參考常州市常超檢測(cè)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，

4、防止壓電晶片磨損。 保護(hù)膜接插件19接觸式 直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端 接地端20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，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，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21各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：15MHz22各種雙晶直探頭 焦距范圍：540mm, 頻率范圍：2.55MHz，鋼中折射角：45 70 24接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）25聚焦探頭 由于超聲波的波長很短（毫米數(shù)量級(jí)），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細(xì)的聲束，其直

5、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。 27聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭28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(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。29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：1002

6、000 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(jì)：2.55MHz 用于霧化器：12MHz30耦合劑 超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)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(cè)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。 31空氣超聲探頭 a） 超聲發(fā)射器 b

7、）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阻抗匹配器 7超聲波束 32空氣超聲探頭（續(xù)） 33空氣超聲探頭外形34空氣超聲探頭外形（續(xù)）35空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器36本章作業(yè)p108：2、3、537第七章：第三節(jié) 超聲波傳感器的應(yīng)用 當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。 38超聲波傳感器應(yīng)用舉例 39超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)） 40超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè)41疊

8、放高度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）42超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)43超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制44機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）45紙卷直徑檢測(cè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）46平整度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）47超長距離檢測(cè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）48流水線計(jì)數(shù)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）49一、超聲波流量計(jì) F1發(fā)射的超聲波先到達(dá) T150測(cè)量流量原理分類 時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束

9、超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量兩接收探頭上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。 51F1發(fā)射的超聲波到達(dá) F2的時(shí)間較短52 頻率差法測(cè)量流量原理： F1、F2 是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖 。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f 2的頻率差 f與被測(cè)流速v成正比 。F2F

10、153 發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)54同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用 （參考北京菲波儀表有限公司資料）55超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用56超聲波多普勒測(cè)量車速57多普勒效應(yīng) 前進(jìn)方向的頻率升高 如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出f 就可得到運(yùn)動(dòng)速度。58超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng) 風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小59超聲波測(cè)距 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2

11、就得到距離。 60超聲波測(cè)厚 雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度 ： 61手持式超聲波測(cè)厚儀62某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo) （參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料） 顯示方法128*32 LCD 點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光） 顯示位數(shù)：四位 測(cè)量范圍：0.8200mm 示值精度：0.1mm 聲速范圍：1000 9999m/s 測(cè)量周期：2次/秒 自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒 電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)

12、工作不少于72小時(shí) 使用溫度：-10C 40C 存儲(chǔ)溫度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含電池）63超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚64超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴 木料測(cè)厚65雙晶超聲波測(cè)厚探頭66雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）67超聲波測(cè)量液位和物位原理 在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。 68超聲波液位計(jì)原理 1液面 2直管 3空氣超聲探頭 4反射小板 5電子開關(guān) 69超聲波測(cè)量液位和物位 喇叭形 超聲發(fā)生器70超聲防盜報(bào)警器 圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率 f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為 v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移f。 71本章作業(yè)p108：2、3、572CT探傷成像（參考中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所資料）73超聲波探傷 超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達(dá)不到的深度。 A型超聲探傷反射波形裂紋74A型超聲波探傷起始波 缺陷反射波 底波工件缺陷75鋼軌探傷車滑板式探頭 76高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測(cè)用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）77鐵路鋼軌探頭鐵路鋼軌對(duì)接焊縫探測(cè)用探頭缺陷鐵路鋼軌探