超聲波傳感器教學(xué)教材

2024/9/271

次聲波

聲波的分類聲波

超聲波

聲波是機(jī)械波，振動頻率為20Hz—20KHz。

1、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(dǎo)致心臟停止跳動。概述：超聲波傳感器2024/9/2722.可聞聲波：頻率20Hz—20KHz。2024/9/2733.超聲波：頻率高于20KHz

蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。蝙蝠依靠超聲波捕食2024/9/2742、超聲波應(yīng)用舉例

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2024/9/275

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)2024/9/277超聲波用于高效清洗

當(dāng)弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(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(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)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(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)。2024/9/278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）超聲換能器氣泡波浪清洗物2024/9/279第一節(jié)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

頻率高于20kHz的機(jī)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(lǐng)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。2024/9/2710目前市場銷售的超聲波傳感器有兩種形式：專用型、兼用型產(chǎn)品通常標(biāo)有諧振中心頻率：

23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。超聲波傳感器有發(fā)射、接收兩部分發(fā)射元件—利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動產(chǎn)生超聲波。接收元件—利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動轉(zhuǎn)換為電信號。一、超聲波的傳感器的工作原理2024/9/2711

利用壓電效應(yīng)的原理制成，是利用了壓電的可逆效應(yīng)即施加40KHz高頻電壓，壓電片根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長或縮短，于是發(fā)射頻率是40KHz的超聲波，利用了壓電的逆壓電效應(yīng)。經(jīng)被測物反射后接收器接受，再利用壓電材料的壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換成電荷，經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路，記錄或顯示結(jié)果。典型外形及符號2024/9/2712結(jié)構(gòu)：超聲發(fā)射器超聲接收器發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高方向性。接收器在共振盤上安裝了阻抗匹配器以濾除噪聲，提高效率。二、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)2024/9/2713以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲傳感器結(jié)構(gòu)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—超聲波束以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲傳感器結(jié)構(gòu)

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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(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。三、超聲波探頭2024/9/2715（一）以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭

a單晶直探頭b雙晶直探頭c斜探頭2024/9/2716常用頻率范圍：0.5~10MHz常見晶片直徑：5~30mm1、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2024/9/2717雙晶直探頭與單晶直探頭的區(qū)別是：結(jié)構(gòu)：由兩個直探頭組合而成，一個晶片是發(fā)射超聲波，另一個晶片接受超聲波，兩晶片間有隔離系統(tǒng)，發(fā)射和接受互不影響。延遲塊可以減少盲區(qū)，提高分辨能力。優(yōu)點(diǎn)：雖然結(jié)構(gòu)比單晶直探頭復(fù)雜，檢測精度高?？刂齐娐泛唵?。2、雙晶直探頭2024/9/2718接觸法雙晶直探頭

結(jié)構(gòu)：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(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。優(yōu)點(diǎn)：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2024/9/2719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

2024/9/27203、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，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2024/9/2721各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz2024/9/2722雙晶斜探頭2024/9/2723

4、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(diǎn)聚焦或線聚焦。2024/9/27245、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(xì)的聲束，其直徑可小到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。

2024/9/2725聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭2024/9/27266、箔式探頭

第七章壓電式傳感器介紹過利用PVDF高分子薄膜，制作出薄膜式探頭，可以獲得0.2mm的超細(xì)聲，用在醫(yī)用CT診斷儀器上獲得高清晰圖像。2024/9/2727（二）以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭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

2024/9/2728空氣超聲探頭

2024/9/2729空氣超聲探頭外形2024/9/2730空氣傳導(dǎo)超聲波電脈沖發(fā)生器2024/9/2731四、耦合劑

1、探頭不能直接放在被測介質(zhì)中，以防磨損。

2、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(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。水式探頭是指耦合劑。

2024/9/2732耦合劑2024/9/2733第二節(jié)超聲波傳感器的特性

1、頻率特性：

發(fā)射與接受的靈敏度都以中心頻率向兩邊逐漸降低在使用中，一定用接近中心頻率的交流電壓來驅(qū)動超聲波發(fā)生器。產(chǎn)品通常標(biāo)有諧振中心頻率：

23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。2、超聲波傳感器的指向性：

頻率越高，指向角越小，越適合檢測。3、超聲波傳感器的溫度特性：一般說溫度越高，中心頻率、靈敏度、輸出聲壓電平越低。寬范圍環(huán)境溫度使用時，需溫度補(bǔ)償。4、超聲波傳感器的阻頻特性：

如果負(fù)載阻抗很大，頻率特性尖銳諧振，這個頻率點(diǎn)靈敏度最高，在使用時，應(yīng)與輸入阻抗較大的前置放大器結(jié)合。2024/9/2734C’CLR等效電路

超聲波傳感器可等效為一個RLC的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中頻率低的fr：L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率；頻率高的fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器在串聯(lián)諧振頻率時阻抗最小。超聲波傳感器的等效電路2024/9/2735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(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)、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。

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超聲波傳感器使用時的兩種形式：反射式、直射式b)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸ兼用型ＴＸＲＸ

a)直射式發(fā)射探頭（TX）接收探頭（RX）超聲波傳感器的工作方式:兼用型2024/9/2737一、流量計1、時間差法

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。從下式看出，與聲速有關(guān)所以受溫漂影響2024/9/2738超聲波時間差法測流量演示dF1F2T2T1此安裝方法方法為透射式2024/9/2739一、超聲波流量計

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T12024/9/2740F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時間較短2024/9/2741

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)2、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(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(fù)頻率為f1。同理可以測得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f2的頻率差

f與被測流速v成正比。

結(jié)論：頻率變化與聲速c無關(guān)，所以溫漂影響較小。2024/9/2743

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)F1F2此安裝方法方法為反射式2024/9/27443、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）2024/9/2745超聲波多普勒測量車速多普勒效應(yīng)

如果波源和觀察者之間有相對運(yùn)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(yīng)。測出

f就可得到運(yùn)動速度。2024/9/2746超聲波多普勒測量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小2024/9/2747二、超聲波測厚

空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)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。2024/9/2748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(dá)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

：2024/9/2749超聲波測厚石料測厚

2024/9/2750超長距離檢測

2024/9/2751某超聲波測厚儀指標(biāo)

（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）

顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)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(guān)機(jī)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）2024/9/2752紙卷直徑檢測2024/9/2753疊放高度測量透明塑料張力控制2024/9/2755超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚2024/9/2756雙晶超聲波測厚探頭2024/9/2757三、超聲波傳感器在線測量質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤檢測物件放置錯誤檢測

2024/9/2759機(jī)械手定位2024/9/2760流水線計數(shù)2024/9/2761四、超聲波測量液位和物位原理

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)超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。

2024/9/2762超聲波液位計原理

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)2024/9/2763超聲波液位計舉例：

從前圖超聲波液位計的顯示屏上測得t0=1.5ms，th1=6.0ms，已知水底與超聲探頭間距h0為10m，反射小板與探頭的間距h0為0.5m，求液位h

解：液位高度為：h=h2-h1=10-20=8M2024/9/2764超聲波測量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器2024/9/2765五、超聲防盜報警器

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)入信號的有效區(qū)域，相對速度為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。2024/9/2766第四節(jié)無損探傷

一、無損探傷的基本概念人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛機(jī)、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。

路軌斷裂事故2024/9/2767二、無損探傷的方法

對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無損檢測的方法：鐵磁材料采用磁粉檢測法導(dǎo)電材料采用電渦流法非導(dǎo)電材料采用熒光染色滲透法

放射線（x光、中子）照相檢測法超聲波探傷法

表面探傷內(nèi)部探傷2024/9/27681、磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀

將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測頭夾持在被測工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來。2024/9/27692、X光探傷

將x光發(fā)生器對準(zhǔn)被測位置，將感光片貼在物體背面，人離開后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷.2024/9/2770三、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。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內(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2024/9/27711、超聲波探傷分類

（1）A型超聲探傷:A型探傷的結(jié)果以二維坐標(biāo)圖形式給出。它的橫坐標(biāo)為時間軸，縱坐標(biāo)為反射波強(qiáng)度。可以從二維坐標(biāo)圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較難識別缺陷的性質(zhì)、類型。（2）B型超聲探傷:B型超聲探傷的原理類似于醫(yī)學(xué)上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標(biāo)，探傷深度作為縱坐標(biāo)，以屏幕的輝度（亮度）來反映反射波的強(qiáng)度。它可以繪制被測材料的縱截面圖形。探頭的掃描可以是機(jī)械式的，更多的是用計算機(jī)來控制一組發(fā)射晶片陣列（線陣）來完成與機(jī)械式移動探頭相似的掃描動作，但掃描速度更快，定位更準(zhǔn)確。2024/9/2772

超聲波探傷分類

（3）C型超聲探傷:

目前發(fā)展最快的是C型探傷，它類似于醫(yī)學(xué)上的CT掃描原理。計算機(jī)控制探頭中的三維晶片陣列（面陣），使探頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內(nèi)部缺陷的橫截面圖，這個橫截面與掃描聲束相垂直。橫截面圖上各點(diǎn)的反射波強(qiáng)通過相對應(yīng)的幾十種顏色，在計算機(jī)的高分辨率彩色顯示器上顯示出來。經(jīng)過復(fù)雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個斷面的切片圖像。2024/9/2773B型超聲探傷—超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用

胎兒的

B超影像2024/9/2774計算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)探傷

（參