超声波传感器及应用.ppt
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1、第第9 9章超声波传感器及应用章超声波传感器及应用 10/28/20221引言引言n超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的,各行各业都使用的通用技术之一。学为基础的,各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小,穿透能力强,特别是对不透光的固体,超小,穿透能力强,特别是对不透光的固体,超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时,由于在两种
2、介质中的质入射到另一种介质时,由于在两种介质中的传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用,如超声波无损检测技术中获得了广泛的应用,如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。声成像等。10/28/20222主要章节主要章节n超声波及其物理性质超声波及其物理性质 n超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术 n超声波传感器的应用超声波传感器的应用 10/28/20223超声波及其物理性质超声波及其
3、物理性质n1超声波的概念和波形超声波的概念和波形n机械振动在弹性介质内的传播称为波动,简称机械振动在弹性介质内的传播称为波动,简称为波。人能听见声音的频率为为波。人能听见声音的频率为20Hz20kHz,即为声波,超出此频率范围的声音,即,即为声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下的声音称为次声波,以下的声音称为次声波,20kHz以上的以上的声音称为超声波,一般说话的频率范围为声音称为超声波,一般说话的频率范围为100Hz8kHz。n超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强越弱,但反射能力越强 9.1.1 超声波的基本概念超声波的基
4、本概念 10/28/20224声波频率的界限划分声波频率的界限划分10/28/20225声波的分类1.次声波波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波,人耳听不到,赫兹的声波,人耳听不到,但可与人体器官发生共振,但可与人体器官发生共振,78Hz的次声波会引起人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。的恐怖感,动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。10/28/202262.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。10/28/202273.超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波。波。10/28/20228 超声波与可闻声波不同,它可以被聚焦,具有能
5、量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器10/28/20229声波的波型声波的波型 n(1)纵波)纵波质点振动方向与波的传播方质点振动方向与波的传播方向一致的波。向一致的波。n(2)横波)横波质点振动方向垂直于传播方质点振动方向垂直于传播方向的波。向的波。n(3)表面波)表面波质点的振动介于横波与纵质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。波之间,沿着表面传播的波。n横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,多采面波随深度增加衰减很快。为了测量各
6、种状态下的物理量,多采用纵波。用纵波。10/28/202210纵波10/28/202211横波 10/28/202212表面波10/28/2022132.声速、波长与指向性声速、波长与指向性 n(1)声速)声速n纵波、横波及表面波的传播速度取决于纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗抗。n介质的声阻抗介质的声阻抗Z等于介质的密度等于介质的密度和声速和声速c的乘积,即的乘积,即nZ=c 10/28/202214常用材料的密度、声阻抗与声速常用材料的密度、声阻抗与声速(环境温度为(环境温度为0)材 料密度(103kgm-1)声阻抗Z
7、(103MPas-1)纵波声速cL(km/s)横波声速cs(km/s)钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92水(20)1.01.481.48油0.91.281.4空气0.00130.00040.3410/28/202215(2)波长)波长n超声波的波长超声波的波长与频率与频率f乘积恒等于声速乘积恒等于声速c,即,即n f=c 10/28/202216(3)指向性)指向性n超声波声源发出的超声波束以一定的角超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心度逐渐向外扩散。在
8、声束横截面的中心轴线上,超声波最强,且随着扩散角度轴线上,超声波最强,且随着扩散角度的增大而减小。的增大而减小。1超声源超声源 2轴线轴线 3指向角指向角 4等强度线等强度线10/28/202217n指向角指向角与超声源的直径与超声源的直径D、以及波长、以及波长之间的关系为之间的关系为nsin/D n设超声源的直径设超声源的直径D=20mm,射入钢板的,射入钢板的超声波(纵波)频率为超声波(纵波)频率为5MHz,则根据式,则根据式(可得(可得=4o,可见该超声波的指向性是,可见该超声波的指向性是十分尖锐的。十分尖锐的。10/28/2022183.超声波的反射和折射超声波的反射和折射 n超声波从
9、一种介质传播到另一介质,在超声波从一种介质传播到另一介质,在两个介质的分界面上一部分能量被反射两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质,叫做反射波,另一部分透射回原介质,叫做反射波,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播,过界面,在另一种介质内部继续传播,则叫做折射波。这样的两种情况分别称则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射,之为声波的反射和折射,10/28/202219波的反射和折射波的反射和折射 10/28/202220n(1)反射定律)反射定律n入射角入射角 的正弦与反射角的正弦与反射角 的正弦之比等于波的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速速
10、之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时,入射角相等时,入射角 等于反射角等于反射角。n(2)折射定律)折射定律n入射角入射角 的正弦与折射角的正弦与折射角 的正弦之比等于超的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中与在折射波中介质的波速介质的波速c2之比,即之比,即nsin /sin =c1/c2 10/28/2022214.超声波的衰减超声波的衰减 n超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与超声波的扩散、能量逐渐衰减,其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。散射及
11、吸收等因素有关。n超声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声超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。散射衰减是固体介离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热能。能。10/28/2
12、02222超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术n为了以超声波作为检测手段,必须产生为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。超声波和接收超声波。n完成这种功能的装置就是超声波传感器,完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器,或超声波探习惯上称为超声波换能器,或超声波探头。头。n超声波发射探头发出的超声波脉冲在介超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到其介面经过反射后,再返回到质中传到其介面经过反射后,再返回到接收探头,这就是超声波测距原理。接收探头,这就是超声波测距原理。10/28/2022239.2.1 超声波探头超声波探头 n工作原理:压电式、磁致伸缩式
13、、电磁工作原理:压电式、磁致伸缩式、电磁式式 n其结构不同,超声波探头又分为直探头、其结构不同,超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等,头以及其他专用探头等,10/28/202224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:常用频率范围:10MHz10MHz,常,常见晶片直径:见晶片直径:5 530mm30mm接触式直探头接触式直探头(纵波垂直入射(纵波垂直入射到被检介质)到被检介质)外壳用金属制外壳用金属制作,保护膜用硬度
14、作,保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作,防止压电晶片作,防止压电晶片磨损。磨损。保护膜保护膜接插件接插件10/28/202225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。10/28/2022261.单晶直探头单晶直探头 n用于固体介质的单晶直探头(俗称直探用于固体介质的单晶直探头(俗称直探头),压电晶片采用头),压电晶片采用PZT压电陶瓷材料压电陶瓷材料制作,外壳用金属制作,保护膜用于防制作,外壳用金属制作,保护膜用
15、于防止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化二铝(钢玉)、碳化硼等硬度很高的耐二铝(钢玉)、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量,防止杂乱反晶片背面的超声脉冲能量,防止杂乱反射波产生,提高分辨力。阻尼吸收块用射波产生,提高分辨力。阻尼吸收块用钨粉、环氧树脂等浇注。钨粉、环氧树脂等浇注。10/28/202227 超声波探头结构示意超声波探头结构示意 1接插件接插件 2外壳外壳 3阻尼吸收块阻尼吸收块 4引线引线 5压电晶体压电晶体 6保护膜保护膜7隔离层隔离层 8延迟块延迟块 9有机玻璃斜楔块有
16、机玻璃斜楔块 10试件试件 11耦合剂耦合剂10/28/202228n超声波的发射和接收虽然均是利用同一超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片,但时间上有先后之分,所以单块晶片,但时间上有先后之分,所以单晶直探头是处于分时工作状态,必须用晶直探头是处于分时工作状态,必须用电子开关来切换这两种不同的状态。电子开关来切换这两种不同的状态。10/28/2022292.双晶直探头双晶直探头 n由两个单晶探头组合而成,装配在同一壳体内。由两个单晶探头组合而成,装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波,另一片晶片接收超其中一片晶片发射超声波,另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性声波。
17、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,使超声波的发射和接收能好的薄片加以隔离,使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块,互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块,它用有机玻璃或环氧树脂制作,能使超声波延它用有机玻璃或环氧树脂制作,能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中,可减小试件接迟一段时间后才入射到试件中,可减小试件接近表面处的盲区,提高分辨能力。双晶探头的近表面处的盲区,提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些,但检测精度比单晶直探头高,结构虽然复杂些,但检测精度比单晶直探头高,且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶且超声波信号的反射和接收的控制电路较单
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