超聲波傳感器7_1

1、2022-5-91第七章第七章 超聲波傳感器超聲波傳感器 本章主要學(xué)習(xí)超聲波的本章主要學(xué)習(xí)超聲波的物物理特性理特性，著重了解超聲波在檢，著重了解超聲波在檢測技術(shù)中的一些測技術(shù)中的一些應(yīng)用應(yīng)用，也涉及，也涉及無損探傷無損探傷的設(shè)備及方法。的設(shè)備及方法。2022-5-92概述：概述： 聲波的分類聲波的分類1.1.次聲次聲波 次聲波是頻率低于次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，赫茲的聲波，人耳聽不到，但但可與人體器官發(fā)生共振，可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會的次聲波會引起人引起人的恐怖感，的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動臟停止跳動。2022-5-932

2、.2.可聞聲波可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。美妙的音樂可使人陶醉。2022-5-943.3.超聲波超聲波 蝙蝠蝙蝠能發(fā)出和能發(fā)出和聽見超聲聽見超聲波波。2022-5-95蝙蝠依靠超聲波捕食蝙蝠依靠超聲波捕食2022-5-96 超聲波與可聞聲波不超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點。能量集中的特點。超聲波霧化器超聲波霧化器超聲波加濕器超聲波加濕器2022-5-97 壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，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

3、焊接。電路及塑料的焊接。 超聲波塑料超聲波塑料焊接機焊接機2022-5-98超聲波金絲超聲波金絲焊接機焊接機2022-5-99 超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波便攜式超聲波探魚器探魚器2022-5-910超聲波在醫(yī)學(xué)檢查超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用中的應(yīng)用 胎兒的胎兒的 B超影像超影像2022-5-911超聲波用于高效清洗超聲波用于高效清洗 當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)當弱的聲波信號作用于液體

4、中時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙生一定的負壓，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；而當強的聲波信號作加大，形成許多微小的氣泡；而當強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。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，相當于瞬間氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這產(chǎn)生幾百度的

5、高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為種現(xiàn)象被稱之為“空化作用空化作用”，超聲波清洗正是利，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達到清洗和沖用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達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、刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。2022-5-912超聲波清洗原理及清洗器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（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）、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器超聲換能器氣泡氣泡波浪波浪清洗物清洗物202

6、2-5-913第一節(jié)第一節(jié) 超聲波物理基礎(chǔ)超聲波物理基礎(chǔ) 頻率高于頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿波。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，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。其聲場指向性就愈好。2022-5-914超聲波的波型超聲波的波型分類分類 超聲波的傳播波型主要可

7、分為超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種?？v波、橫波、表面波等幾種。 2022-5-915縱縱波波2022-5-916橫波橫波 2022-5-917表面波表面波2022-5-918 第二節(jié)第二節(jié) 超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波換能器及耦合技術(shù) 超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原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、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

8、探頭、高溫探頭、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?？諝鈧鲗?dǎo)探頭以及其他專用探頭等。 2022-5-919各種超聲波探頭各種超聲波探頭 （以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）（以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：常用頻率范圍：0.50.510MHz10MHz，常見晶片直徑：常見晶片直徑：5 53030mmmm接觸式直探頭接觸式直探頭（縱波垂直入射（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）到被檢介質(zhì)） 外殼用金屬制外殼用金屬制作，保護膜用硬度作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片作，防止壓電晶片磨損。磨損。 保護膜保

9、護膜接插件接插件2022-5-920接觸式接觸式 直探頭原理直探頭原理超聲脈沖電壓超聲脈沖電壓輸入端輸入端 接地端接地端2022-5-921接觸式斜探頭接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭（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（如壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如3030 、4545 等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材等）的有機玻璃斜楔塊上，當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，而傳播到較遠處去。次反射，而傳播到

10、較遠處去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件2022-5-922各種接觸式斜探頭各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：常用頻率范圍：1 15 5MHzMHz2022-5-923接觸法雙晶直探頭接觸法雙晶直探頭 將兩個單晶探頭組合將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測精度比單晶直些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反探頭高，且超聲信號的反射和接收

11、的控制電路較單射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。晶直探頭簡單。 發(fā)射晶片發(fā)射晶片接收晶片接收晶片2022-5-924各種雙晶直探頭各種雙晶直探頭 焦距范圍：焦距范圍：5 540mm, 40mm, 頻率范圍：頻率范圍：2.52.55MHz5MHz，鋼中折射角：鋼中折射角：4545 7070 2022-5-925接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）2022-5-926 水浸探頭水浸探頭（可用自來水作為耦合劑）（可用自來水作為耦合劑） 選擇聲透選擇聲透鏡形狀，可決鏡形狀，可決定聚焦形式為定聚焦形式為點聚焦或線聚點聚焦或線聚焦。焦。2022-5-927聚焦探頭聚焦探頭 由于超聲波的波長很短（

12、由于超聲波的波長很短（毫米毫米數(shù)量級），所以數(shù)量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直徑可小到徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細小的缺陷，左右，可以分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。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；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。焦超聲波。 2022-5-928聚焦探頭原理及外形聚焦探

13、頭原理及外形水浸聚焦探頭水浸聚焦探頭2022-5-929超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片 將將數(shù)百伏數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機械振動波被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。2022-5-930壓電陶瓷的主要性能指標壓電陶瓷的主要性能指標 1) 介電常數(shù)介電常數(shù) ：10006000 2) 壓電靈敏度

14、壓電靈敏度D33 ：300600pC/N 3) 機械品質(zhì)因素機械品質(zhì)因素Q：1002000 4) 居里溫度居里溫度：300400 C 5）靜電容：）靜電容：1000 100000pF（與面積有關(guān)）（與面積有關(guān)） 6）頻率范圍：）頻率范圍： 用于超聲清洗：用于超聲清洗：30100KHz 用于探傷儀及流量計：用于探傷儀及流量計：2.55MHz 用于霧化器：用于霧化器：12MHz2022-5-931耦合劑耦合劑 超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物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，空氣將引起三個界體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾

15、，并造成很大面間強烈的雜亂反射波，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，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，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、機油、甘油、水玻璃、膠水、化合劑有自來水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。學(xué)漿糊等。 2022-5-932空氣超聲探頭空氣超聲探頭 a a） 超聲發(fā)射器超聲發(fā)射器 b b）超聲接收器）超聲接收器 1 1外