超聲波傳感器（蒼松書屋）

1、超聲波傳感器 本章主要學習超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測技術中的一些應用，也涉及無損探傷的設備及方法。1凌云書屋概述： 聲波的分類1.次聲波 次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導致心臟停止跳動。2凌云書屋2.可聞聲波(2020000HZ） 美妙的音樂可使人陶醉。3凌云書屋3.超聲波大于20000HZ 蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。4凌云書屋蝙蝠依靠超聲波捕食5凌云書屋 超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點。超聲波霧化器超聲波加濕器6凌云書屋 壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到

2、較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。 超聲波塑料焊接機7凌云書屋超聲波金絲焊接機8凌云書屋 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)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器9凌云書屋超聲波在醫(yī)學檢查中的應用 胎兒的 B超影像10凌云書屋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)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。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

3、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，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，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刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。11凌云書屋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 、北京德泰隆科技發(fā)展有限責任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物12凌云書屋第一節(jié) 超聲波物理基礎 頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領大，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

4、的頻率越高，其聲場指向性就愈好。13凌云書屋超聲波的波型分類 超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。 14凌云書屋縱波15凌云書屋橫波 16凌云書屋表面波17凌云書屋第二節(jié) 超聲波換能器及耦合技術 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、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。 18凌云書屋各種超聲波探頭 （以下參考常州市常超檢測設備有限公司資料）常用頻率范圍：0.510MHz，常見晶片直徑：530mm接觸式直探頭（縱波垂直

5、入射到被檢介質(zhì)） 外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。 保護膜接插件19凌云書屋接觸式 直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端 接地端20凌云書屋接觸式斜探頭（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30、45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。底部耐磨材料接插件21凌云書屋各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：15MHz22凌云書屋接觸法雙晶直探頭 將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能

6、強、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。 發(fā)射晶片接收晶片23凌云書屋各種雙晶直探頭 焦距范圍：540mm, 頻率范圍：2.55MHz，鋼中折射角：45 70 24凌云書屋接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）25凌云書屋 水浸探頭（可用自來水作為耦合劑） 選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點聚焦或線聚焦。26凌云書屋聚焦探頭 由于超聲波的波長很短（毫米數(shù)量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細小的缺陷，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；也

7、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反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。 27凌云書屋聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭28凌云書屋超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片 將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，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，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。29凌云書屋壓電陶瓷的主要性能指標 1) 介電常數(shù) ：10006000 2) 壓電靈敏度D33 ：300600pC/N 3) 機械品質(zhì)因素Q：1002000 4) 居里溫度：300400 C 5）靜電容：1000 100000pF（與面積

8、有關） 6）頻率范圍： 用于超聲清洗：30100KHz 用于探傷儀及流量計：2.55MHz 用于霧化器：12MHz30凌云書屋耦合劑 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，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、化學漿糊等。 31凌云書屋空氣超聲探頭 a） 超聲發(fā)射器 b）超聲接收器 1外殼 2金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤 4壓電晶片 5引腳 6

9、阻抗匹配器 7超聲波束 32凌云書屋空氣超聲探頭（續(xù)） 33凌云書屋空氣超聲探頭外形34凌云書屋空氣超聲探頭外形（續(xù)）35凌云書屋空氣傳導超聲波電脈沖發(fā)生器36凌云書屋第三節(jié) 超聲波傳感器的應用 當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。 37凌云書屋超聲波傳感器應用舉例 38凌云書屋超聲波傳感器應用舉例（續(xù)） 39凌云書屋超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯誤檢測40凌云書屋疊放高度測量超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）41

10、凌云書屋超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）物件放置錯誤檢測42凌云書屋超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制43凌云書屋機械手定位超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）44凌云書屋紙卷直徑檢測超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）45凌云書屋平整度測量超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）46凌云書屋超長距離檢測超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）47凌云書屋流水線計數(shù)超聲波傳感器應用舉例（續(xù)）48凌云書屋一、超聲波流量計 F1發(fā)射的超聲波先到達 T149凌云書屋測量流量原理分類 時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2

11、的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。 50凌云書屋F1發(fā)射的超聲波到達 F2的時間較短51凌云書屋 頻率差法測量流量原理： F1、F2 是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖 。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻

12、率f 2的頻率差 f與被測流速v成正比 。F2F152凌云書屋 發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)53凌云書屋同側(cè)式超聲波流量計的使用 （參考北京菲波儀表有限公司資料）54凌云書屋超聲波流量計現(xiàn)場使用55凌云書屋超聲波多普勒測量車速56凌云書屋多普勒效應 前進方向的頻率升高 如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應。測出f 就可得到運動速度。57凌云書屋超聲波多普勒測量風速風 風引起超聲波的頻率變大或變小58凌云書屋超聲波測距 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到

13、接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。 59凌云書屋超聲波測厚 雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度 ： 60凌云書屋手持式超聲波測厚儀61凌云書屋某超聲波測厚儀指標 （參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料） 顯示方法128*32 LCD 點陣液晶顯示（帶背光） 顯示位數(shù)：四位 測量范圍：0.8200mm 示值精度：0.1mm 聲速范圍：1000 9999m/s 測量周期：2次/秒 自動關機時間：90秒 電源：二節(jié)七號（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時 使用溫度：-10C 40C 存儲溫度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含電池）62凌云書屋超聲波測厚石料測厚63凌云書屋超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴 木料測厚64凌云書屋雙晶超聲波測厚探頭65凌云書屋雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）66凌云書屋超聲波測量液位和物位原理 在液罐上方安裝空氣傳導型超