傳感器與檢測技術(shù)-超聲波傳感器及應(yīng)用

超聲波傳感器及應(yīng)用2023/10/31引言超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個(gè)物理過程來完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速測量、超聲顯微鏡及超聲成像等。2023/10/32主要章節(jié)9.1超聲波及其物理性質(zhì)9.2超聲波探頭及耦合技術(shù)9.3超聲波傳感器的應(yīng)用2023/10/339.1超聲波及其物理性質(zhì)1．超聲波的概念和波形機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz～20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)9.1.1超聲波的基本概念2023/10/34聲波頻率的界限劃分2023/10/35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(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)。2023/10/362.可聞聲波

美妙的音樂可使人陶醉。2023/10/373.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。2023/10/38

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

超聲波加濕器2023/10/39聲波的波型（1）縱波—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。（2）橫波—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。（3）表面波—質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。

2023/10/310縱波2023/10/311橫波

2023/10/312表面波2023/10/3132.聲速、波長與指向性（1）聲速縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度ρ和聲速c的乘積，即

Z=ρc

2023/10/314常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)聲阻抗Z（103MPa·s-1）縱波聲速cL（km/s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空氣0.00130.00040.34—2023/10/315（2）波長超聲波的波長λ與頻率f乘積恒等于聲速c，即

λ

f=c

2023/10/316（3）指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。1—超聲源2—軸線3—指向角4—等強(qiáng)度線2023/10/317指向角θ與超聲源的直徑D、以及波長λ之間的關(guān)系為

sinθ=1.22λ/D

設(shè)超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據(jù)式（可得θ=4o，可見該超聲波的指向性是十分尖銳的。2023/10/3183.超聲波的反射和折射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，則叫做折射波。這樣的兩種情況分別稱之為聲波的反射和折射，2023/10/319波的反射和折射2023/10/320（1）反射定律入射角

的正弦與反射角

'的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速相等時(shí)，入射角

等于反射角

'。（2）折射定律入射角

的正弦與折射角

的正弦之比等于超聲波在入射波所處介質(zhì)的波速c1與在折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即

sin

/sin

=c1

/c22023/10/3214.超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收，在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。2023/10/3229.2超聲波探頭及耦合技術(shù)為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到其介面經(jīng)過反射后，再返回到接收探頭，這就是超聲波測距原理。2023/10/3239.2.1超聲波探頭工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式其結(jié)構(gòu)不同，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、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等，2023/10/324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：0.5~10MHz，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(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2023/10/325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。2023/10/3261.單晶直探頭用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭），壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護(hù)膜用于防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜可以用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。2023/10/327

超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意1—接插件2—外殼3—阻尼吸收塊4—引線5—壓電晶體6—保護(hù)膜

7—隔離層8—延遲塊9—有機(jī)玻璃斜楔塊10—試件11—耦合劑2023/10/328超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。2023/10/3292.雙晶直探頭由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。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，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時(shí)間后才入射到試件中，可減小試件接近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。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，且超聲波信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。2023/10/330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

2023/10/3313.斜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，壓電晶片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得。2023/10/332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2023/10/333各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz2023/10/334接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）2023/10/3354.聚焦探頭分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。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，還可利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，也可具有聚焦功能。2023/10/3365.箔式探頭利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細(xì)聲束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。2023/10/3376.空氣傳導(dǎo)型探頭超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同，發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率?？諝鈧鲗?dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達(dá)幾米至幾十米。2023/10/338空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)示意圖1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶體片

5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束2023/10/339空氣超聲探頭（續(xù)）

2023/10/340空氣超聲探頭外形2023/10/341空氣超聲探頭外形（續(xù)）2023/10/3429.2.2超聲波探頭耦合劑一般不能直接將其放在被測介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動(dòng)，以防磨損?？諝獾拿芏群苄?，將引起3個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對(duì)超聲波造成很大的衰減。常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。2023/10/343耦合劑

超聲探頭與被測物體接觸時(shí)，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(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。

2023/10/3449.3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測厚常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速υ是已知的，設(shè)工件厚度為δ，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t可以測量，因此可求出工件厚度為

δ=υt/21．超聲波測厚2023/10/345脈沖回波法測厚工作原理從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時(shí)間間隔t。當(dāng)然也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來測量時(shí)間間隔t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。2023/10/3462.超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。2023/10/347幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖2023/10/348結(jié)論只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間，便可以求得待測的物位，超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為±0.1%，檢測物位的范圍為102～104m。2023/10/3493.超聲波流量傳感器測定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多勒效應(yīng)法等，但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。2023/10/350實(shí)際應(yīng)用超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收，超聲波不會(huì)給管內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響2023/10/351超聲波測量原理圖2023/10/352超聲波傳感器安裝位置圖2023/10/353特點(diǎn)超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體。還是高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測量。超聲波流量計(jì)可用來對(duì)自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測量。還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測量。2023/10/3544.汽車倒車探測器（倒車?yán)走_(dá)）選用封閉型的發(fā)射超聲波傳感器MA40EIS和接收超聲波傳感器MA40EIR安裝在汽車尾部的側(cè)角處，按如圖9-10所示電路裝配即可構(gòu)成一個(gè)汽車倒車尾部防撞探測器。分為超聲發(fā)射電路、超聲接收電路和信號(hào)處理電路。2023/10/355汽車倒車尾部防撞探測器原理圖（1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時(shí)基電路555組成，555振蕩電路的頻率可以調(diào)整，調(diào)節(jié)電位器RPl可將接收超聲波傳感器的輸出電壓頻率調(diào)至最大，通?？烧{(diào)至40kHz。2023/10/357（2）超聲波接收電路超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器MA40EIR，MA40EIR的輸出由集成比較器LM393進(jìn)行處理。LM393輸出的是比較規(guī)范的方波信號(hào)。2023/10/358（3）信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路用集成電路LM2901N