现代检测技术2.ppt

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1、第二章第二章超声波换能器超声波换能器 超声换能器超声换能器 其他形式的能量其他形式的能量 超声波的能量超声波的能量 发射发射换能器。超声（机械）能量超声（机械）能量 其他易于检测的能量其他易于检测的能量 接收换能器接收换能器。发射电路发射电路发射换能器发射换能器媒质媒质接收换能器接收换能器接收电路接收电路主控电路主控电路输出输出换能器换能器:进行能量转换的器件进行能量转换的器件 在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，换能器主要是指电声换能器，电能电能 声能声能 1第二章第二章超声波换能器超声波换能器 一、超声换能器的种类超声换能器的种类：（1 1）按能量转换的机理和换能材料分按能量转换的机

2、理和换能材料分：压电、磁致伸缩、机械型等超声换能器压电、磁致伸缩、机械型等超声换能器（2 2）按振动模式分按振动模式分：纵向：纵向(厚度厚度)振动、剪切振动、弯曲振动等换能器振动、剪切振动、弯曲振动等换能器（3 3）按工作介质分按工作介质分：气介、液体、固体等超声换能器气介、液体、固体等超声换能器（4 4）按工作状态分按工作状态分：发射型、接收型、收发两用型超声换能器发射型、接收型、收发两用型超声换能器（5 5）按输入功率和工作信号分按输入功率和工作信号分：功率型、检测型、脉冲信号、调制信号和功率型、检测型、脉冲信号、调制信号和 连续波信号等超声换能器连续波信号等超声换能器（6 6）按形状分按

3、形状分：圆盘型、棒状、圆柱型、球形等换能器：圆盘型、棒状、圆柱型、球形等换能器（7 7）按照应用需要分按照应用需要分：平面波、球面波、柱面波、聚焦和阵列等超声换能器：平面波、球面波、柱面波、聚焦和阵列等超声换能器 二、超声换能器的特性参数：二、超声换能器的特性参数：共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等 不同用途的换能器对性能参数的要求不同不同用途的换能器对性能参数的要求不同；例如，发射型超声换能器例如，发射型超声换能器:

4、要求输出功率和能量转换效率高；要求输出功率和能量转换效率高；接收型超声换能器接收型超声换能器:要求频带宽和灵敏度高等要求频带宽和灵敏度高等 在换能器的设计中，根据具体的应用，合理选择参数在换能器的设计中，根据具体的应用，合理选择参数2三、检测用的超声换能器特点：三、检测用的超声换能器特点：（1）功率小功率小（不使传声媒质的性质变化）（不使传声媒质的性质变化），又要有足够的强度（保证一定的信噪比）；，又要有足够的强度（保证一定的信噪比）；（脉冲超声波，其瞬时功率较大可以保证有足够的信噪比，而平均功率较小，这种脉冲超声波，其瞬时功率较大可以保证有足够的信噪比，而平均功率较小，这种 换能器比较轻巧，

5、便于安装换能器比较轻巧，便于安装)；（2）稳定性好稳定性好(时间稳定性和温度稳定性时间稳定性和温度稳定性)。材料进行老化处理老化。材料进行老化处理老化。（3 3）在换能过程中，波形不失真在换能过程中，波形不失真。机械。机械Q Q值太大，频带宽度窄，产生波形畸变；值太大，频带宽度窄，产生波形畸变；（4）对振动方式有特殊的要求对振动方式有特殊的要求，以便在传声媒质中得到所须波型的超声波以便在传声媒质中得到所须波型的超声波(如纵波、如纵波、横波、表面波、板波、弯曲波等横波、表面波、板波、弯曲波等)。（5 5）使用条件方面的特殊要求使用条件方面的特殊要求，如防爆、防腐蚀、防辐射、，如防爆、防腐蚀、防辐

6、射、防漏、防漏、高温或低温、高压或抽空等。高温或低温、高压或抽空等。从换能器的材料、形状和外壳结构等方面来考虑。从换能器的材料、形状和外壳结构等方面来考虑。第二章第二章超声波换能器超声波换能器3 2.1 压电材料及材料及压电效效应 压电超声换能器的优点：压电超声换能器的优点：（1 1）在高频范围，能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动）在高频范围，能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动（2 2）结构简单，易于激励）结构简单，易于激励 （3 3）压电换能器易于成型和加工，可用于不同的应用场合）压电换能器易于成型和加工，可用于不同的应用场合 2.1.12.1.1压电压电材料材料 18801880年法国

7、物理学家居里兄弟发现年法国物理学家居里兄弟发现压电效应压电效应 18811881年科学家们又从理论上预计并从实验上证实了年科学家们又从理论上预计并从实验上证实了逆压电效应逆压电效应的存在的存在 他他们们发发现现当当压压电电材材料料的的温温度度超超过过一一定定的的值值时时，压压电电效效应应不不再再存存在在，这这一一临临界界温温度度称称为为压电材料的居里温度，也称为居里点压电材料的居里温度，也称为居里点 有五大类有五大类：压电单晶体：各向异性体。压电单晶体：各向异性体。压电陶瓷：各向同性体。压电陶瓷：各向同性体。压电高分子聚合物压电高分子聚合物压电复合材料压电复合材料压电半导体材料压电半导体材料4

8、1 1.压电单晶体压电单晶体 2.1压电材料及材料及压电效效应 有有天然天然生长和生长和人工人工培育的。如石英、硫酸锂、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐等晶体培育的。如石英、硫酸锂、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐等晶体是各向异性体，物理化学性质因观察方向而有差异。是各向异性体，物理化学性质因观察方向而有差异。天然石英天然石英（SiO2SiO2）晶体晶体:理想结构外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示理想结构外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示.光轴光轴:纵向轴纵向轴ZZ；电轴电轴:XX轴轴,经过正六面体棱线，并垂直于光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴；机械轴机械轴

9、:YY轴轴,与与XX轴和轴和ZZ轴同时轴同时 垂直（垂直于正六面体的棱面）。垂直（垂直于正六面体的棱面）。ZXY(a)(b)ZYX石英晶体石英晶体(a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形(b)坐标系坐标系 把沿机械轴把沿机械轴YY方向的力作用下产生电方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”;沿光轴沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。方向受力则不产生压电效应。把沿电轴把沿电轴X XX X方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷 的压电效应称为的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”;国际上将晶体分为七个晶系，即三斜品系、单斜品系、正交晶系、四方晶

10、系、三国际上将晶体分为七个晶系，即三斜品系、单斜品系、正交晶系、四方晶系、三方晶系、六方晶系以及立方晶系方晶系、六方晶系以及立方晶系5 切割取向和切割方位不同时，石英晶体的性能就不同可以产生不同性质和不同切割取向和切割方位不同时，石英晶体的性能就不同可以产生不同性质和不同用途的石英振子用途的石英振子 X X 切割产生厚度切割产生厚度(纵向）振动模式；纵向）振动模式；Y Y 切割产生切变（横向）振动模式；切割产生切变（横向）振动模式；2.1压电材料及材料及压电效效应X切割的石英晶体片 晶片的切割：晶片的切割：石英晶体的优点是性能非常稳定，其介石英晶体的优点是性能非常稳定，其介电常数和压电系数在常

11、温范围内几乎不随温电常数和压电系数在常温范围内几乎不随温度变化。度变化。在在2020200200范围内，温度每升高范围内，温度每升高11，压电系数仅减少，压电系数仅减少0.0160.016。但是当到。但是当到573573时，它完全失去了压电特性，这就是它的时，它完全失去了压电特性，这就是它的居居里点里点。机械强度高，绝缘性能也相当好。机械强度高，绝缘性能也相当好。石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般用于得多。因此一般用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器或要求较高的传感器中。中。6 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质

12、质，是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料，它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。直流电场直流电场E剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前极化处理前(b)极化处理中极化处理中

13、(c)极化处理后极化处理后 2一一1压电材料及材料及压电效效应2.2.压电陶瓷压电陶瓷 是压电多晶体人工烧制。是压电多晶体人工烧制。如钛酸钡、锆钛酸铅等；如钛酸钡、锆钛酸铅等；制作过程：制作过程：配料配料 混合混合 粉碎粉碎 预烧预烧 成型成型 烧烧成成 上电极上电极 极化极化 测试测试 电极电极：陶瓷上镀的一层金属（银、铜、金和镍）薄膜：陶瓷上镀的一层金属（银、铜、金和镍）薄膜 未极化的压电陶瓷未极化的压电陶瓷由于其中的电轴取向杂乱排列，由于其中的电轴取向杂乱排列，不具有压电效应不具有压电效应 极化处理后的陶瓷极化处理后的陶瓷 成为各向异性体成为各向异性体 压电效应压电效应 极化极化：在压电

14、陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电轴沿电场方向取向排列在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电轴沿电场方向取向排列 极化条件极化条件：极化电场、极化温度和极化时间：极化电场、极化温度和极化时间7 当当压电材料的温度超过其居里温度压电材料的温度超过其居里温度时时，极化消失，压电效应不再存在，极化消失，压电效应不再存在如高温极化条件下，极化电场达到如高温极化条件下，极化电场达到20kV20kVcmcm 优点优点（与压电单晶体等相比与压电单晶体等相比）：原材料价格低廉；原材料价格低廉；机械强度好，易加工（各种不同的形状和尺寸），适应不同的应用；机械强度好，易加工（各种不同的形状和尺寸），适应不同

15、的应用；可以制成品种各异、性能不同的压电材料（添加不同的材料成分）；可以制成品种各异、性能不同的压电材料（添加不同的材料成分）；可以得到所需的各种振动模式（采用不同的形状和不同的极化方式）；可以得到所需的各种振动模式（采用不同的形状和不同的极化方式）；2一一1压电材料及材料及压电效效应 用电压表无法测出陶瓷片内部存在的极化强度用电压表无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。因为陶瓷片内的极化强度是以因为陶瓷片内的极化强度是以电偶极矩电偶极矩的形式表现的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷正束缚电荷，另一端出，另一端出现现负束缚电荷负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片

16、的。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图附的自由电荷示意图8常用压电陶瓷：常用压电陶瓷：（1 1）钛酸钡压电陶瓷

17、钛酸钡压电陶瓷钛钛酸酸钡钡（BaTiO3）是是由由碳碳酸酸钡钡（BaCO3）和和二二氧氧化化钛钛（TiO2）按按1：1分分子子比例在高温下合成的压电陶瓷。比例在高温下合成的压电陶瓷。它它具具有有很很高高的的介介电电常常数数和和较较大大的的压压电电系系数数（约约为为石石英英晶晶体体的的50倍倍）。不不足足之处是居里温度低（之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。（2 2）锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆锆钛钛酸酸铅铅是是由由PbTiO3和和PbZrO3组组成成的的固固溶溶体体Pb（Zr、Ti）O3。它它与与钛钛酸酸钡钡

18、相相比比，压压电电系系数数更更大大，居居里里温温度度在在300以以上上，各各项项机机电电参参数数受受温温度度影影响响小小，时时间间稳稳定定性性好好。此此外外，在在锆锆钛钛酸酸中中添添加加一一种种或或两两种种其其它它微微量量元元素素（如如铌铌、锑锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。材料。因此因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。2一一1压电材料及材料及压电效效应93.压电聚合物压电聚合物 比较新型的压电换能器材料比较新型的压电换能器材料聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯(PVDF

19、(PVDF）或者）或者聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2)PVF2)是是目前目前发现的压电效应较强的聚合物发现的压电效应较强的聚合物薄膜薄膜，这种合成高分子薄膜本身不存在压电效应。经延，这种合成高分子薄膜本身不存在压电效应。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。特点：特点：柔顺性、热塑性和易于加工等，柔顺性、热塑性和易于加工等，并容易制成

20、大面积压电元件。耐冲击并容易制成大面积压电元件。耐冲击 、不易破碎、稳定性好、频带宽。、不易破碎、稳定性好、频带宽。化学性质非常稳定，其熔点大约是化学性质非常稳定，其熔点大约是170170。制作过程制作过程：制膜制膜 拉伸拉伸 上电极上电极 极化极化 优点优点：柔顺系数是压电陶瓷材料的几十倍。柔顺系数是压电陶瓷材料的几十倍。压电电压常数高，适于制作高灵敏度接收换能器和换能器阵压电电压常数高，适于制作高灵敏度接收换能器和换能器阵 机械品质因数较低，适合于制作机械品质因数较低，适合于制作分辨率高的窄脉冲分辨率高的窄脉冲超声换能器超声换能器 声阻抗率较低，易于和传播介质宽带匹配声阻抗率较低，易于和传

21、播介质宽带匹配 缺点：缺点：性能与温度有关，机电耦合系数较小，损耗大，介电常数很小，不适合制作发性能与温度有关，机电耦合系数较小，损耗大，介电常数很小，不适合制作发 射型换能器射型换能器 2一一1压电材料及材料及压电效效应10 特点特点 ：低密度、低阻抗、低机械品质因数、高频带、高的抗机械冲击性能和低的横低密度、低阻抗、低机械品质因数、高频带、高的抗机械冲击性能和低的横 向耦合振动等优点向耦合振动等优点 应用于应用于无损检测、水声和医用超声换能器无损检测、水声和医用超声换能器中中 现在的现在的B B超诊断仪的探头里所用的换能器几乎全部采用了压电复合材料超诊断仪的探头里所用的换能器几乎全部采用了

22、压电复合材料4.4.压电复合材料压电复合材料压电材料压电材料(通常是通常是PZT)PZT)高分子聚合物高分子聚合物按一定的方式相结合的材料按一定的方式相结合的材料 2一一1压电材料及材料及压电效效应(PVF2(PVF2PZT)PZT)。5、压电半导体材料、压电半导体材料如如ZnO、CdS、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。11 2.1.22.1.2压电压电效效应应压电效应压电效应：当晶体受到应力（张应力、压应

23、力、剪切应力）作用，产生形变时，晶体会当晶体受到应力（张应力、压应力、剪切应力）作用，产生形变时，晶体会 产生电场。产生电场。加交变电场加交变电场(电压电压)，则晶体因变形而振动，在周围介质中将激起声波。，则晶体因变形而振动，在周围介质中将激起声波。(一一)纵向压电效应纵向压电效应(二二)纵向逆压电效应纵向逆压电效应+(+)()2.1压电材料及材料及压电效效应逆压电效应逆压电效应：在电场作用下，晶体将产生应变或应力。在电场作用下，晶体将产生应变或应力。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应12(三三)横向压电效应横向压电效应XY(四四)横向逆压电效应横向逆压电效应u纵向振

24、动纵向振动横向振动横向振动径向振动径向振动*在在X轴的两面上轴的两面上施加电压可施加电压可产生产生*并不是说并不是说 纵向振动纵向振动横向振动横向振动纵向振动产生纵波纵向振动产生纵波横向振动产生横波横向振动产生横波+(+)()2.1压电材料及材料及压电效效应13 ：压电体两电极面的静电容压电体两电极面的静电容：在晶体材料中的介电损失在晶体材料中的介电损失：顺从性（弹性顺从性（弹性 1/K)1/K)：晶体的质量晶体的质量：晶体和其支架的摩擦阻晶体和其支架的摩擦阻：晶体的附加负载晶体的附加负载 传输的声功率传输的声功率电电系系统统电电特特性性机机械械系系统统运运动动特特性性2.1.3 2.1.3

25、压电压电体的体的动态动态特性特性等效电路：等效电路：谐振频率：（谐振频率：（1 1）串联谐振频率）串联谐振频率 (谐振频率谐振频率)阻抗最低阻抗最低；（2 2）并联谐振频率）并联谐振频率(反谐振频率反谐振频率)阻抗最大。阻抗最大。如如 很小时，两个谐振频率很小时，两个谐振频率是很接近的。是很接近的。石英：石英：100 2.1 压电材料及材料及压电效效应机电耦合系数机电耦合系数电能转换为机械能电能转换为机械能供给的电能供给的电能RmCmLmRLRdCe14施加电压施加电压 ，使厚度增加，使厚度增加 ，则，则 2.1.4 2.1.4 压电压电晶体的几个主要参数晶体的几个主要参数 设晶体为理想的材料

26、（即只有厚度方向振动），设晶体为理想的材料（即只有厚度方向振动），(一一)压电应变常数压电应变常数(发射灵敏度发射灵敏度)长a宽b厚度t压电晶体电压 (二二)压电应力常数压电应力常数(接收灵敏度接收灵敏度)施加压力施加压力 ，晶体产生电压为，晶体产生电压为 ，则，则 (三三)压电形变常数压电形变常数 施加一定压力，厚度增加施加一定压力，厚度增加 ，使产生电压使产生电压 。则。则 2.1压电材料及材料及压电效效应如给压电晶体的等效电路上外加电压 U，则15如如:锆钛酸铅锆钛酸铅PZT5值值 压压强强相对变化相对变化 主要主要误误差来源是温度的影响差来源是温度的影响。如图：如图：液体的声速都有液体

27、的声速都有负负的温度系数的温度系数,水水和和水溶液有一个声速极大水溶液有一个声速极大值值；溶溶质质增多，声速极大增多，声速极大值对应值对应的温度降低的温度降低。在声速极大在声速极大值值附近，声速随温度附近，声速随温度变变化的梯度小。化的梯度小。水和水的溶液有水和水的溶液有正正的温度系数的温度系数.液液体体3.4 3.4 声速仪在媒质特性分析上的应用声速仪在媒质特性分析上的应用对声速的影响对声速的影响53温度温度变变化造成的化造成的误误差超差超过过声速声速仪仪本身本身测测量量浓度浓度的的误误差差。=19 米秒-1，-1，15米秒-1度-1。=1米秒，=1，=0.13 ：声速声速仪测仪测量声速的量

28、声速的误误差差；：声速的温度系数声速的温度系数 ：温度的温度的变变化化 例例：声速仪分析浓度时的浓度误差声速仪分析浓度时的浓度误差硫酸溶液硫酸溶液：在在85100的的浓浓度区域里度区域里=0=0.053.4 3.4 声速仪在媒质特性分析上的应用声速仪在媒质特性分析上的应用54减小温度影响的减小温度影响的方法方法：1恒温方法恒温方法：测测量量时时把媒质的把媒质的温度控制在温度控制在一定一定温度上。利用通常的恒温系温度上。利用通常的恒温系统统就能达就能达到到较较高的分析精度。高的分析精度。不能在线测量。不能在线测量。2.测测定媒定媒质质的温度的温度进进行行自自动动补偿补偿查查表表补偿补偿：作修正表

29、格，作修正表格，计计算机算机实现实现。温度温度补偿电补偿电路路：不通用不通用。3将待将待测测液与温度相同的液与温度相同的标标准液准液进进行声速比行声速比较较如测如测浓度、密度浓度、密度。要求要求：（1 1）标准液容器标准液容器的外径的外径 被测液的管道被测液的管道内径内径。（2 2）标准液的容器的热惯性要小。）标准液的容器的热惯性要小。（3 3）标准液和待测液的声速温度系数要接近。）标准液和待测液的声速温度系数要接近。二者温度基本相同二者温度基本相同。被测液和标准液声速之差就对应于媒质特性的差异。被测液和标准液声速之差就对应于媒质特性的差异。这种方案通用性强，可这种方案通用性强，可在线测量在线

30、测量。混频后的差频信号与媒质特性量的差值成正比混频后的差频信号与媒质特性量的差值成正比。3.4 3.4 声速仪在媒质特性分析上的应用声速仪在媒质特性分析上的应用被测液的管道被测液的管道标准液容器标准液容器553.5 用用测测量衰减量衰减进进行媒行媒质质特性分析的方法特性分析的方法扩扩散衰减散衰减吸收衰减吸收衰减散射衰减散射衰减选择选择适当的适当的频频率率，某种媒某种媒质质特性特性发发生生变变化化时时，某种衰减某种衰减产产生明生明显显的的变变化化 分析的分析的根据根据一、一、测测量衰减量衰减绝对值绝对值()进进行媒行媒质质特性分析的方法特性分析的方法变变程脉冲程脉冲法法实验实验室方法室方法（测量

31、流体）（测量流体）方法方法1：保持衰减器的位置不保持衰减器的位置不变变h(脉冲高度脉冲高度)(脉冲声脉冲声压压)56方法方法2 2：调节衰减器位置（用或分贝和奈培刻度）调节衰减器位置（用或分贝和奈培刻度）衰减器读数衰减器读数：（1 1）用刻度）用刻度：保持保持示波器上的示波器上的脉冲高度脉冲高度不变不变（2 2）以）以奈培刻度奈培刻度衰减器读数：衰减器读数：单单位位长长度上的奈培衰减数度上的奈培衰减数单单位位长长度上的度上的衰减数衰减数3.5 3.5 用测量衰减进行媒质特性分析的方法用测量衰减进行媒质特性分析的方法57 二、二、测测量衰减相量衰减相对值进对值进行媒行媒质质特性分析的方法特性分析

32、的方法固定距离的脉冲法固定距离的脉冲法测测量接收波振幅的大小量接收波振幅的大小测测量能接收到的回波次数量能接收到的回波次数发多次反射波（1）金属探金属探伤仪伤仪来来鉴别鉴别球墨球墨铸铁铸铁的球化的球化质质量量。球墨球墨铸铁铸铁球化得好球化得好，片状的石墨少片状的石墨少，散射衰减小散射衰减小，多次反射的次数多。多次反射的次数多。反之，球化愈差，散射衰减大，反射次数。反之，球化愈差，散射衰减大，反射次数。（2）测测量量矿浆矿浆的的浓浓度度 散射衰减它与散射衰减它与颗颗粒的粒的浓浓度、粒度、比重和表面构造度、粒度、比重和表面构造有关。有关。（3）测测量低量低浓浓度度纸浆纸浆的的浓浓度度 缺点：缺点：

33、精度精度低。低。优优点点：测测量迅速，装置量迅速，装置简单简单。，原因：原因：换换能器的耦合、能器的耦合、发发射功率、接收灵敏度和媒射功率、接收灵敏度和媒质质的反射系数等因素的的反射系数等因素的变变化化。悬浊悬浊液本身的成分复液本身的成分复杂杂，影响衰减的因素多，影响衰减的因素多。3.5 3.5 用测量衰减进行媒质特性分析的方法用测量衰减进行媒质特性分析的方法58（2）用）用声速声速仪仪测测量量（1）测测量量3.6 测测量阻抗量阻抗进进行媒行媒质质特性分析的方法特性分析的方法测量媒质的声阻抗率，就是测量媒质反映在换能器上的辐射阻抗测量媒质的声阻抗率，就是测量媒质反映在换能器上的辐射阻抗。：等效

34、机械内耗等效机械内耗电电阻阻：与与辐辐射阻抗成正比的等效射阻抗成正比的等效电电阻抗阻抗换换能器能器发发射平面射平面纵纵波行波，媒波行波，媒质质有足有足够够大大,则则 测出测出可可计计算出算出 并并联联一个一个调谐调谐电电感感 。恒恒压压振振荡荡源源、：定量定量利用超声波利用超声波测测量流体媒量流体媒质质密度或密度或弹弹性的原理性的原理（4）测）测弹弹性模量性模量（3 3）测）测密度密度59脉冲振幅脉冲振幅近似近似和和辐辐射阻抗成射阻抗成正比正比；超声密度超声密度计计 （1）脉冲回脉冲回呜电呜电路路测量声速：测量声速：重复周期重复周期积分放大器输出积分放大器输出峰峰值电压值电压检检波后的脉冲的高

35、度波后的脉冲的高度 脉冲的脉冲的宽宽度度 脉冲的高度脉冲的高度宽宽度度峰峰值检值检波器上的峰波器上的峰值电压值电压（脉冲的面脉冲的面积积）（被被测测媒媒质质的密度的密度）（2 2）阻抗测量电路：）阻抗测量电路：测测弹弹性模量性模量3.6 测测量阻抗量阻抗进进行媒行媒质质特性分析的方法特性分析的方法Da ab bc cd de ef fg gh hi i60第三章第三章声速、衰减和声阻抗的声速、衰减和声阻抗的测测量及其在媒量及其在媒质质特性分析特性分析上的上的应应用用3.6 测测量阻抗量阻抗进进行媒行媒质质特性分析的方法特性分析的方法 超声密度计超声密度计3.5 用用测测量衰减量衰减进进行媒行媒

36、质质特性分析的方法特性分析的方法 测量衰减绝对值、测量衰减相对值进行媒质特性分析的方法测量衰减绝对值、测量衰减相对值进行媒质特性分析的方法3.4 声速声速仪仪在媒在媒质质特性分析上的特性分析上的应应用用 应用实例、温度影响及其补偿方法、应用实例、温度影响及其补偿方法、3.3 脉冲回脉冲回鸣鸣法法 原理、存在的问题、误差及修正原理、存在的问题、误差及修正 3.2 测测量传播时间的脉冲声速量传播时间的脉冲声速仪仪 工作原理、工作原理、测时误差和修正方法测时误差和修正方法 3.13.1声速声速测测量方法量方法 共振干涉法、临界角法、相位比较法、脉冲法等。共振干涉法、临界角法、相位比较法、脉冲法等。6

37、1 1 1.根据根据测测量传播时间的脉冲声速量传播时间的脉冲声速仪的原理框图设计一声速仪仪的原理框图设计一声速仪 画出原理画出原理 图。图。要求：要求：发射接收电路要求详细。发射接收电路要求详细。可以采用单片机系统（可以画框图）。可以采用单片机系统（可以画框图）。发射电路要有调谐和阻抗匹配。发射电路要有调谐和阻抗匹配。接收电路可以加入提高测时精度的措施。接收电路可以加入提高测时精度的措施。如果是自发自收探头接收电路要加限幅电路。如果是自发自收探头接收电路要加限幅电路。2 2.根据根据脉冲回鸣法脉冲回鸣法原理框图设计一声速仪原理框图设计一声速仪 画出原理图。画出原理图。思考：思考：被测媒质是气（

38、几十被测媒质是气（几十KHzKHz）、液（几百）、液（几百KHzKHz）、固（几百几千、固（几百几千KHzKHz）体那类介质？）体那类介质？声时的范围？声时的范围？接收电路至少有那些电路组成接收电路至少有那些电路组成?采用何种类型放大器？采用何种类型放大器？提高测时精度的措施？提高测时精度的措施？单片机完成哪些功能？硬件完成哪些功能？程序完成哪些功能？单片机完成哪些功能？硬件完成哪些功能？程序完成哪些功能？设计题：设计题：62第四章第四章 超声波超声波测测量流量量流量 特点：特点：(1)非接触式非接触式(可对可对不易接触和不易接触和观观察察的流体的流体进进行行测测量量)。(2)不受流体物理性不

39、受流体物理性质质化学性化学性质质(流体的粘性、流体的粘性、导电导电性、混性、混浊浊及腐及腐蚀蚀性等性等)的影响的影响。重点：重点：超声波流量测量技术的基本原理和主要测量方法超声波流量测量技术的基本原理和主要测量方法。4.1 超声波流量超声波流量计计声学原理声学原理其他测量原理的超声波流量计：其他测量原理的超声波流量计：超声束位移法、超声波多普勒法超声束位移法、超声波多普勒法。流体流体声速：声速：c c(1)(1)流体静止流体静止时：时：c c1 1=c c2 2(2)(2)流体流动流体流动时时：顺顺流流:c1=c+u逆流逆流:c2=c-u测c1 和 c2u=2(cu=2(c1 1-c-c2 2

40、)测测量超声波量超声波顺顺流和逆流之流和逆流之间间的差的差别别确定流体流速确定流体流速.方法：方法：时间时间差法差法、相位差法相位差法、频频率差法率差法等等一、声学原理声学原理变换变换器器：发发射器、接收器射器、接收器 声声导导(或称声楔或称声楔)机械机械联结组联结组件等。件等。电电子子电电路路：发发射和接收射和接收电电路，信号路，信号处处理理电电路，流量路，流量显显示等部分。示等部分。组成组成63二、变换器二、变换器按按测测量方式分量方式分：接触式和非接触式。接触式和非接触式。从声学角度分从声学角度分：无折射无折射 和和有折射有折射式。式。无折射无折射变换变换器器：有折射式有折射式变换变换器

41、器：声声导导(楔形楔形)声导声导作用作用：（2）波型波型转换转换（1）防止超声防止超声换换能元件能元件 与被与被测测媒媒质质接触；接触；利用管壁利用管壁多个折射面的变换器、多个折射面的变换器、双通道双通道变换器变换器、单通道切换式、单通道切换式变换器变换器。4.1 4.1 超声波流量计声学原理超声波流量计声学原理644.2 超声波流量超声波流量计计的流体力学分析的流体力学分析讨论讨论超声波射超声波射线线在流在流动动被被测测媒媒质质中的中的传传播情况。播情况。流动状态流动状态紊流状紊流状态态：层层流状流状态态：流流速呈速呈对对数分布数分布（均匀均匀）流流速呈抛物速呈抛物线线分布分布（不均匀不均匀

42、）超声波流量超声波流量计计适用适用于于紊流状紊流状态态流体流体。雷雷诺诺数数：流体的运流体的运动动粘滞系数粘滞系数。临临界流速界流速u：达到紊流状达到紊流状态态的最低流速。的最低流速。如如直径直径为为300毫米的管道水的毫米的管道水的临临界流速界流速为为13厘米厘米秒秒-1。时时，达到紊流状，达到紊流状态态。体体积积流量流量：管道的横截面管道的横截面积积：沿着管道横截面的平均流体流速沿着管道横截面的平均流体流速测测得得 ，可求出流量可求出流量 。65轨轨迹迹为为曲曲线线P ：为为光滑光滑圆圆管的阻力系数管的阻力系数超声波射线在流体中的传播轨迹超声波射线在流体中的传播轨迹：（1 1）流体静止流体

43、静止：传传播播轨轨迹迹为为PB.（2 2）流体流动流体流动：在点在点P和和点点处处，处处在在点的出射角与点点的出射角与点B 的出射角相等的出射角相等，即仍即仍为为入射角入射角 。P4.2 4.2 超声波流量计的流体力学分析超声波流量计的流体力学分析=0.003 沿着管道横截面的流速沿着管道横截面的流速66假定：假定：(1)管道内各点流速沿横截面均匀分布管道内各点流速沿横截面均匀分布，等于等于 ；(2)不考不考虑虑超声波射超声波射线线在流在流动动媒媒质质中中传传播播时时的曲的曲线轨线轨迹和迹和传传播方向的改播方向的改变变；(3)忽略声忽略声导导折射面上的曲率，并折射面上的曲率，并认为认为管道内壁

44、是光滑的管道内壁是光滑的。：超声波射超声波射线线与管道与管道轴线轴线之之间间的的夹夹角角 超声波在流超声波在流动动被被测测媒媒质质中的中的传传播速度播速度面平均流速面平均流速：管道横截面管道横截面上的上的平均流速平均流速线平均流速线平均流速：超声射超声射线线上上的的平均流速平均流速;超声波流量超声波流量计计所所测测之流速之流速.线线平均流速与面平均流速之差异可以通平均流速与面平均流速之差异可以通过过流体流体动动力学修正系数来力学修正系数来计计算。算。4.2 4.2 超声波流量计的流体力学分析超声波流量计的流体力学分析674.3 主要主要测测量方法量方法 一、一、时时差法差法时时差法差法：测测量

45、超声波脉冲量超声波脉冲顺顺流和逆流流和逆流传传播的播的时间时间差差。顺顺流流发发射射时时,超声脉冲超声脉冲传传播播时间时间 逆流逆流发发射射时时,超声脉冲超声脉冲传传播播时间时间c1c3c2u电电路延路延迟时间迟时间声导及管道壁中的延时声导及管道壁中的延时设顺设顺流和逆流延流和逆流延时时相同，相同，时时差差68（米3 小时-1 ）超声波流量超声波流量计计的基本方程的基本方程：声速声速是温度的函数是温度的函数。流量流量测测量相量相对误对误差就等于差就等于的相的相对变对变化的两倍化的两倍。例：例：D=300毫米、毫米、=1500米米.秒秒-1、=1.3米米秒秒-1、=20时时，1微秒微秒时时差法需

46、要差法需要测测量微小量微小时间时间差差值值很大很大时时，增大增大。适于大口径管道、河道等。适于大口径管道、河道等。一、一、时时差法差法4.3 主要主要测测量方法量方法69 二、相差法二、相差法 检测检测顺流和逆流发射时顺流和逆流发射时所接收到的信号所接收到的信号之间之间的相位差的相位差。顺顺流流：逆流逆流：时时差差 相差法流量计的基本方程相差法流量计的基本方程：调调相器相器：调调整相位整相位检检波器的起始工作点以及校正零位波器的起始工作点以及校正零位。相差法避免了测量微小时间差，把时间差转换成相位差来测量，可提高测量精度。相差法避免了测量微小时间差，把时间差转换成相位差来测量，可提高测量精度。

47、声速随温度而变化。声速随温度而变化。4 4.3 3 主要测量方法主要测量方法70三、三、频频差法差法 “回回鸣鸣”或或“团转团转”方法。方法。顺顺流重复流重复频频率率逆流重复逆流重复频频率率对对于无折射于无折射轴轴向式向式变换变换器器：只与只与频频率差有关率差有关，与与 无关，无关，这这是是频频差法的主要特点。差法的主要特点。对对于有折射于有折射变换变换器器：DD4 4.3 3 主要测量方法主要测量方法71频差法流量计基本方程如下：频差法流量计基本方程如下：频差法频差法受温度影响小。受温度影响小。4 4.3 3 主要测量方法主要测量方法72四、超声束位移法四、超声束位移法超声束在流超声束在流动

48、动的流体的流体中中产产生偏移生偏移，偏移量偏移量与与流体流速流体流速有关。有关。（1）当当流体静止流体静止时时：J1和和J2的接收信号的接收信号的的强强度都等于度都等于（2）当当流体以流速流体以流速移移动时动时 超声射超声射线线方向偏移角度方向偏移角度：射射线线的偏移量的偏移量 有折射有折射变换变换器器：两个接收信号的两个接收信号的强强度之差度之差值值 也越大。也越大。愈大愈大，数数值值很小，只有直径很小，只有直径的的0.1左右左右 设设多次反射次数多次反射次数为为，则则无无折射折射变换变换器器：4 4.3 3 主要测量方法主要测量方法D DL Lu u73：超声射超声射线线束的平均束的平均宽

49、宽度度：流体静止流体静止时时任一接收信号的任一接收信号的强强度度：比例恒量比例恒量接收信号接收信号强强度度声束声束宽宽度度：无折射情无折射情况况在低流速在低流速时时，测测量灵敏度很低量灵敏度很低。要求管道内壁光滑、内径大要求管道内壁光滑、内径大、衰减系数小衰减系数小，适用性不大适用性不大。应应用用于于高速高速稳稳定流体的流量定流体的流量测测量。量。线线路路简单简单。4 4.3 3 主要测量方法主要测量方法74五、超声多普勒法五、超声多普勒法（1 1）粒子作接收器）粒子作接收器：粒子：粒子反射的超声波反射的超声波频频率率（2 2）粒子散射波作声源：）粒子散射波作声源：多普勒频移多普勒频移 由（由

50、（1 1）和（）和（2 2）特点特点：（1）适用含有适用含有悬悬浮粒子的流体浮粒子的流体；（2 2）有折射式变换器，基本不受温度的影响有折射式变换器，基本不受温度的影响。4 4.3 3 主要测量方法主要测量方法悬悬浮粒子浮粒子流体流体发射连续超声波75将上式代入将上式代入各种方法的流量各种方法的流量计计基本方程基本方程，就可，就可写成以入射角写成以入射角 表示的形式表示的形式。4.4.4 变换变换器的若干器的若干问题问题一、以入射角一、以入射角 表示的超声流量表示的超声流量计计基本方程基本方程：折射折射系系数数夹夹角角与折射面个数与折射面个数及管壁材料无关，只决定于入射角及管壁材料无关，只决定