超声波传感器

第一节超声波传感器声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，根据声波振动频率的范围，可分为次声波、声波、超声波和特超声波。人耳能听到的声波频率范围是20~20000Hz。频率超过20000Hz的声波称为超声波。超声检测中常用的工作频率在0.25~20MHz范围内。一、超声波的物理基础1.超声波的物理性质概述：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。2.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。3.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，形成微小液滴随声波传播出去。超声波雾化器超声波加湿器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，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超影像超声波用于高效清洗当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。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超声波指向性很好（不同于声波在弹性介质中的广泛传播），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。波型主要可分为纵波、横波和表面波三种。横波和表面波只能在固体中传播，而纵波可以在固体、液体和气体中传播，液体和气体没有切向应力，只能传播纵波。因此常用的超声波为纵波。声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。纵波横波表面波超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为nBc1式中：ρ——Ba——绝对压缩系数。上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。（10-1）声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。2.超声波的传播性质当超声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播，称为折射波，如图11-1所示。1c1c2c入射波反射波折射波第一介质第二介质由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。入射波与反射波波形相同波速相同时，入射角等于反射角。当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即21sinsincc11sinsincc10.1.3超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。AeII0振源介质0II超声波的衰减示意图AeII0A为吸收系数；为介质的厚度声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。气体密度小，衰减最快，频率越高衰减越快。液体固体中衰减较小。二、超声波传感器由发送传感器和接收传感器两部分组成，在超声波检测中成对使用。1.发送传感器发送传感器由发送电源与换能器组成，发送电源是提供高频电流或电压的电源；换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中幅射。换能器一般有压电式和磁致伸缩式两种。u超声波压电晶体（1）压电式超声波发生器----利用压电晶体的电致伸缩现象制成超声频电信号换能器2cnf压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度有关n为谐波级数，取1，2，3，……；c为超声波在压电材料里的传播速度，与压电材料的密度有关。压电式超声波发送传感器可以产生几十kHz到几十MHz的超声波。声强可达几十W/cm2。(2)磁致伸缩超声波发生器-----利用某些铁磁材料的磁致伸缩现象制成（置于交变磁场中，产生机械尺寸交替变化）磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万Hz以内，但声强可达几千W/cm2。它与压电式的发送器比较所产生的超声波的频率较低，而强度则大许多。镍、铁钴钒合金等镍片叠加、片间绝缘减小涡流2、接收传感器接收传感器由换能器与放大电路组成。超声波接收器是利用超声波发生器的逆变效应进行工作的。换能器接收超声波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出。同样，接收传感器有压电式和磁致伸缩式两种。（1）压电式超声波接收器当超声波作用到电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷，这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。而实际使用中，发送传感器的压电陶瓷的也可以用做接收器传感器的压电陶瓷。（2）磁致伸缩超声波接收器当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩引起内部磁场变化，根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，再将此感应电动势送到测量电路及记录显示设备。超声波换能器又称超声波探头。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。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吸收向上发射的超声波以固体为传导介质的超声探头分时工作接触式斜探头（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（可用自来水作为耦合剂）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超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加到压电陶瓷上，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陶瓷时，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。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：300~400C5）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（以空气为传导介质）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—超声波束提高发射效率和方向性滤除噪声提高接收效率空气超声探头（续）空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气传导超声波电脉冲发生器高频电源放大电路显示发射探头接收探头工件三、超声波在自动检测中的应用1.超声波探伤主要用于检测板材、锻件和焊接缝等材料中缺陷，也可以测量材料的厚度。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。（1）穿透法探伤当工件内部有缺陷时，在缺陷处能量被反射，到达接收探头的能量损失了一部分。无法知道缺陷具体位置。BF工件探头T高频电源放大电路TFB（2）反射法探伤当工件内部无缺陷时，超声波传到工件底面再反射回来；当工件内部有缺陷时，超声波传到缺陷就反射回来；不同缺陷会造成不同的接收波幅度和周期。TFB底波2.超声波测厚度厚度计算:工件探头高频电源放大电路T测厚仪ct21t只要测量出超声波脉冲通过工件的时间t,经过信号处理电路就可以直接读出工件的厚度。。3.超声波测液位信号处理电路显示直管探头L只要测量出发射波和接收波之间的时间间隔，就可以测出探头到液面的距离。超声波测量液位是利用回声原理进行的，在液位上方安装空气传导型超声发射器和接收器。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图（a）所示。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图（b）所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。(a)超声波在液体中传播(b)超声波在空气中传播hh2a2ahhss(a)(b)22cthchth——换能器距液面的距离；c——超声波在介质中传播的速度。2cts22ash