搜索
第四章超声波传感器本章主要学习超声波的物理特性，着重了解超声波在检测技术中的一些应用，也涉及无损探伤的设备及方法。概述：声波的分类1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。自然界：地震、海上风暴、火山爆发、龙卷风等。人类活动：核爆炸、导弹飞行、汽车争驰、高楼和大桥摇晃等。2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。声的频率在20赫兹------20000赫兹之间，响度在0分贝----110分贝之间，正常人都能听得到，这样的声音称为可闻声波。3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。蝙蝠依靠超声波捕食超声波雾化器超声波加湿器在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。且可以被聚焦，具有能量集中的特点。剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦。利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。能用于集成电路及塑料的焊接。超声波塑料焊接机超声波金丝焊接机超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波探鱼器超声波在医学检查中的应用胎儿的B超影像频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性超声波用于高效清洗超声波清洗机原理主要是通过换能器，将功率超声频源的声能转换成机械振动，通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下从而保持振动。当声压或者声强受到压力到达一定程度时候，气泡就会迅速膨胀，然后又突然闭合。在这段过程中，气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生1012-1013Pa的压力及局调温，这种超声波空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使他们分化于溶液中。超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器气泡波浪清洗物第一节超声波物理基础频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。纵波是质点的振动方向与传播方向同轴的波，如声波。纵波传播是由于介质中各质点发生压缩和拉伸的变形，并产生使质点回复原状的纵向弹性力而实现的。因此只能在拉伸压缩的弹性的介质中传播，如声波能在固体、液体、气体中传播。横波：质点的振动方向与波的传播方向相互垂直，如电磁波。固体有切变弹性，所以在固体中能传播横波，液体和气体没有切变弹性，因此只能传播纵波，而不能传播横波。表面波是当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时，质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。表面波是横波和纵波的复合，属于机械波。第二节超声波换能器及耦合技术超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。陶瓷压电逆效应自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生变化,压电陶瓷会有变形。然而,压电陶瓷会有变形,是因为当加上与自发极化相同的外电场时,相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。各种超声波探头（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件接触式直探头原理超声脉冲电压输入端接地端接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz接触法双晶直探头将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片各种双晶直探头焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45~70接触法双晶斜探头（续）水浸探头（是一种单晶纵波探头，带有一个在声学特性上与水相配的1/4波长的层。这种探头是为使超声波在部分或全部浸在水中的被测工件中传播而特别设计的。）选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。聚焦探头由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头应用•自动扫查。•在线厚度测量。•高速探测管道、棒材、管件、平板及其它类似部件中的缺陷。•穿透检测。•材料分析及声速测量。超声波探头中的压电陶瓷芯片压电陶瓷的主要性能指标1)介电常数：1000~60002)压电灵敏度D33：300~600pC/N3)机械品质因素Q：100~20004)居里温度：300~400C5）静电容：1000~100000pF（与面积有关）6）频率范围：用于超声清洗：30~100KHz用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz用于雾化器：1~2MHz物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小耦合剂超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。空气超声探头a）超声发射器b）超声接收器1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。空气超声探头（续）空气超声探头外形空气超声探头外形（续）第三节超声波传感器的应用当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测机械手定位超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测超声波传感器应用举例（续）平整度测量超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超声波传感器应用举例（续）流水线计数超声波传感器应用举例（续）一、超声波流量计F1发射的超声波先到达T1因超声波流量计在流通通道中未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点。测量流量原理分类时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波到达F2的时间较短频率差法测量流量原理：F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。可以测得F1的脉冲重复频率为f1和F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差f与被测流速v成正比。F2F1发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧，交替接收反射回来的声脉冲信号同侧式超声波流量计的使用（参考北京菲波仪表有限公司资料）超声波流量计现场使用超声波多普勒测量车速多普勒效应前进方向的频率升高如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f就可得到运动速度。超声波多普勒测量风速风风引起超声波的频率变大或变小超声波测距空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。超声波测厚双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度：5-721ct手持式超声波测厚仪某超声波测厚仪指标（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）显示方法∶128*32LCD点阵液晶显示（带背光）显示位数：四位测量范围：0.8~200mm示值精度：0.1mm声速范围：1000~9999m/s测量周期：2次/秒自动关机时间：90秒电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时使用温度：-10°C~40°C存储温度：-20°C~70°C外形尺寸：108x61x25mm重量：230g（含电池）超声波测厚石料测厚超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头（续）超声波测量液位和物位原理在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。超声波测量液位和物位喇叭形超声发生器超声防盗报警器图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。第四节无损探伤一、无损探伤的基本概念人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。路轨断裂事故无损探伤的方法对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。X光探伤将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将