超聲波傳感器-課件

超聲波傳感器

本章主要學習超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測技術(shù)中的一些，也涉及無損探傷的設備及方法。7/23/20231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，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導致心臟停止跳動。7/23/202322.可聞聲波(20～20000HZ）

美妙的音樂可使人陶醉。7/23/202333.超聲波

大于20000HZ蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。7/23/20234蝙蝠依靠超聲波捕食7/23/20235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。

超聲波霧化器

超聲波加濕器7/23/20236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7/23/20237超聲波金絲焊接機7/23/20238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7/23/20239超聲波在醫(yī)學檢查中的應用胎兒的

B超影像7/23/202310超聲波用于高效清洗當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，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；而當強的聲波信號作用于液體時，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，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達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體、機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。7/23/202311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)展有限責任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物7/23/202312第一節(jié)超聲波物理基礎

頻率高于20kHz的機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。7/23/202313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。

7/23/202314縱波7/23/202315橫波

7/23/202316表面波7/23/202317

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、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。7/23/202318各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測設備有限公司資料）常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm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，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護膜接插件7/23/202319接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端7/23/202320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）的有機玻璃斜楔塊上，當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，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料接插件7/23/202321各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz7/23/202322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、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復雜些，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7/23/202323各種雙晶直探頭焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

7/23/202324接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）7/23/202325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聚焦或線聚焦。7/23/202326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的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細小的缺陷，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反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。

7/23/202327聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭7/23/202328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，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。7/23/202329壓電陶瓷的主要性能指標

1)介電常數(shù)：1000~60002)壓電靈敏度D33：300~600pC/N3)機械品質(zhì)因素Q：100~20004)居里溫度：300~400C5）靜電容：1000~100000pF（與面積有關）6）頻率范圍：用于超聲清洗：30~100KHz用于探傷儀及流量計：2.5~5MHz用于霧化器：1~2MHz7/23/202330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、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。

7/23/202331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—阻抗匹配器7—超聲波束

7/23/202332空氣超聲探頭（續(xù)）

7/23/202333空氣超聲探頭外形7/23/202334空氣超聲探頭外形（續(xù)）7/23/202335空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器7/23/202336第三節(jié)超聲波傳感器的應用

當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。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、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。

7/23/202337超聲波傳感器應用舉例

7/23/202338超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）

7/23/202339超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤檢測7/23/202340疊放高度測量超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）7/23/202341超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）物件放置錯誤檢測7/23/202342超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制7/23/202343機械手定位超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）7/23/202344紙卷直徑檢測超聲波傳感器

應用舉例（續(xù)）7/23/202345平整度測量超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）7/23/202346超長距離檢測超聲波傳感器

應用舉例（續(xù)）7/23/202347流水線計數(shù)超聲波傳感器

應用舉例（續(xù)）7/23/202348一、超聲波流量計

F1發(fā)射的超聲波先到達T17/23/202349測量流量原理分類

時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(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。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。7/23/202350F1發(fā)射的超聲波到達F2的時間較短7/23/202351

頻率差法測量流量原理：

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，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。F2F17/23/202352

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)7/23/202353同側(cè)式超聲波流量計的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）7/23/202354超聲波流量計現(xiàn)場使用7/23/202355超聲波多普勒測量車速7/23/202356多普勒效應前進方向的頻率升高

如果波源和觀察者之間有相對運動，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。測出f就可得到運動速度。7/23/202357超聲波多普勒測量風速風

風引起超聲波的頻率變大或變小7/23/202358超聲波測距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

7/23/202359超聲波測厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度：7/23/202360手持式超聲波測厚儀7/23/202361某超聲波測厚儀指標

（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）顯示方法∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關機時間：90秒

電源：二節(jié)七號（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時

使用溫度：-10°C~40°C

存儲溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）7/23/202362超聲波測厚石料測厚7/23/202363超聲波手持式測厚