超聲波傳感器

1、課題：超聲波傳感器日勺原理及應(yīng)用課時(shí)安排：2課次編號(hào)：11材分析難點(diǎn)：無(wú)損探傷重點(diǎn)：超聲波傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、解超聲波的物理基礎(chǔ)；2、掌握縱波探傷的計(jì)算；4、了解無(wú)損探傷的原埋。，用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：占一、中+匚八才教具：各種超聲波傳講授、課堂互動(dòng)、分析口感器各教 學(xué)環(huán) 節(jié)和 內(nèi)容演示：做以下的實(shí)驗(yàn)： 將超聲波換育需浸入透明的杯子中，可以看到水受到強(qiáng)烈的振動(dòng)，形成噴泉和水 霧。結(jié)論：超聲波的方向性強(qiáng)，育區(qū)集中。弟 下超嚴(yán)波物埋基礎(chǔ)、嚴(yán)波的本質(zhì)和分類 產(chǎn)波是，種機(jī)械波。.可聞聲波：振動(dòng)頻率在 20Hz ? 20kHz的范圍內(nèi)，可為人耳所感覺.次聲波：振動(dòng)頻率在20Hz以下人耳無(wú)法感知

2、，但許多動(dòng)物卻能感受到。比如地震發(fā)生前的次聲波就會(huì)引起許多動(dòng)物的異常反應(yīng)。.超聲波：振動(dòng)頻率高于 20kHz的機(jī)械振動(dòng)波超聲波的特點(diǎn)：指向性好，育區(qū)集中，穿透本領(lǐng)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(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這 現(xiàn)象類似于光波。超聲波的特性與頻率的關(guān)系：頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好，與光波的反射、折散 特性就越接近。超聲波的傳播方式超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。三、聲速、波長(zhǎng)與指向性（1）聲速 聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。幾種常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關(guān)系如表7-1所示。表7-1常用材料的密度、聲

3、阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0 C）材料密度3 -1p/10 kg m聲阻抗-1z/10MPa s縱波聲速-1CL/km s橫波聲速-1CS/km s鋼7.8465.93.23鋁2.7176.33.1銅8.9424.72.1有機(jī)玻璃1.183.22.71.2甘油1.262.41.9一水（20 C ）1.01.481.48一油0.91.281.4*空氣0.00120.00040.34*分析表7-1 :多數(shù)情況下，密度和聲阻抗越大，聲速越快。第一節(jié)超聲波換育譚及耦合技術(shù)第章聲波傳器七感超超聲波換能器有時(shí)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(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。

4、由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器又分為直探 頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、 聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等，超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖 7-5所示。圖7-5超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭1 一接插件1 一接插件2 外殼3 一阻尼吸收塊7一隔離層8 延遲塊9 有機(jī)玻璃斜楔塊 一、以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭4引線5 壓電晶體 6 保護(hù)膜10試件11耦合劑單晶直探頭分析發(fā)射和接收過(guò)程：發(fā)射超聲波時(shí)，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng),使晶片 發(fā)射出一束頻率落在超聲范圍內(nèi)、持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。超聲波到達(dá)被測(cè)物底部后，超聲波的絕

5、大部分能量被底部界面所反射。反射波經(jīng)過(guò)一 到壓電晶片。利用壓電效應(yīng)，晶片將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓由于衰減等原因，該電壓通常只有幾十毫伏，還要加以放大，才能在顯示器上顯示出 值。短暫的傳播時(shí)間回該脈沖的波形和幅單晶直探頭分析發(fā)射和接收過(guò)程：發(fā)射超聲波時(shí)，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng),使晶片 發(fā)射出一束頻率落在超聲范圍內(nèi)、持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。超聲波到達(dá)被測(cè)物底部后，超聲波的絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經(jīng)過(guò)一 到壓電晶片。利用壓電效應(yīng)，晶片將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓由于衰減等原因，該電壓通常只有幾十毫伏，還要加以放大，才能在顯示

6、器上顯示出 值。短暫的傳播時(shí)間回該脈沖的波形和幅結(jié)論：超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來(lái)切換這兩種不同的狀態(tài)，電子開關(guān) 切換電路框圖見第三節(jié)的圖 7-10o雙晶直探頭 結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射 和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。使用斜探頭的目的：為了使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介質(zhì)中，可使壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如一 I、r等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去。二、以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭發(fā)射器的壓電片

7、上必須粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。一只阻抗匹配器，以濾除噪聲、提高接收效率?？諝鈧鲗?dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍：幾米至幾十米。接收器在共振盤上還增加了b)b)圖7-6空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)a）超聲發(fā)射器b）超聲接收器1外殼2金屬絲網(wǎng)罩3一錐形共振盤4壓電晶片5 一引腳6 阻抗匹配器7-超聲波束三、耦合劑用途：1沏磨損；2?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(cè)介質(zhì)中。常用的耦合劑：水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。分析各種場(chǎng)合，使用不同的耦合劑。8）大面積鋼板探傷時(shí)，耦合劑應(yīng)選 為宜；機(jī)床床身探傷時(shí)，耦合劑應(yīng)選 為宜；給人體做B超時(shí)，

8、耦合劑應(yīng)選 oA .自來(lái)水 B,機(jī)油 C ,液體石蠟 D .化學(xué)漿糊第三節(jié)超聲波傳感器的應(yīng)用2,超聲波測(cè)厚測(cè)量試件厚度的方法：電感測(cè)微器（分辨力可達(dá) 0.5 口訕、電渦流測(cè)厚儀（只能測(cè)0.1mm以內(nèi)的金屬厚度）、數(shù)顯電容式游標(biāo)卡尺（分辨力可達(dá)10 ym）。超聲測(cè)厚儀特點(diǎn)：量程范圍大、無(wú)損、便攜等。缺點(diǎn)：測(cè)量精度與溫度及材料的材質(zhì)有關(guān)。在電路上只要在從發(fā)射到接收這段時(shí)間內(nèi)使計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，便可達(dá)到數(shù)字顯示之目的。7-41 :=ct7-42.超聲波測(cè)量液位和物位圖7-10超聲波液位計(jì)原理圖5電子開關(guān)t0=2ms , 5電子開關(guān)t0=2ms , th1=5.6ms 。已知水底與超聲探頭的間距為10m

9、,反射小板與探頭的間距為0.34m ,求液位ho1液面2一直管3空氣超聲探頭4反射小板例7-1超聲波液位計(jì)原理如圖7-10所示，從顯示屏上測(cè)得解由于ho h1 - = 口 th1所以有h1= t-a1 ho =（:和二）m=0.95m to所以yS位h為h=h2-h 仁（10-0.95） m=9.05m由于空氣中的聲速隨溫度改變會(huì)造成溫漂，所以在傳送路徑中還設(shè)置了一個(gè)反射性良好的小板作標(biāo)準(zhǔn)參照物，以便計(jì)算修正。上述方法除了可以測(cè)量液位外，也可以測(cè)量粉體和粒狀體的物位。.超聲防盜報(bào)警器圖7-11為超聲報(bào)警電路。上圖為發(fā)射部分，下圖為接收部分的電原理框圖。它們裝在同一塊線路板上。發(fā)射器發(fā)射出頻率f

10、=40kHz左右的連續(xù)超聲波（空氣超聲探頭選用40kHz工作頻率可獲得較高靈敏度，并可避開環(huán)境噪聲干擾）。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v,從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移I。7-11超聲防盜報(bào)警器電原理框圖多普勒效應(yīng)：當(dāng)超聲波源與傳播介質(zhì)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的頻率與超聲波源發(fā)射的頻率將有所不同。產(chǎn)生的頻偏？與相對(duì)速度的大小及方向有關(guān)。舉例：當(dāng)高速行駛的火車向你逼近和掠過(guò)時(shí)，所產(chǎn)生的變調(diào)聲就是多普勒效用池起的。撼腳糊勺電路原理：壓電喇叭收到兩個(gè)不同頻率所組成的差拍信號(hào)（濾波器40kHz收廄偏移的頻率40kHzt）。這些信號(hào)由40kHz選頻放大器放大

11、，并經(jīng)檢波器檢波后，由低通濾波器濾去40kHz信號(hào)，而留下的多普勒信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)低頻放大器放大后，由檢波器轉(zhuǎn)換為直流電壓，去控制報(bào)警揚(yáng)聲器或指示器。 利用多普勒原理的好處： 可以排除墻壁、家具的影響（它們不會(huì)產(chǎn)生n,只對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體起作用。由于振動(dòng)和氣流也會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，故該防盜報(bào)警器多用于室內(nèi)。 擴(kuò)散思維：根據(jù)本裝置的原理，還能運(yùn)用多普勒效應(yīng)去測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度，液體、氣體的流速，汽車防碰、防追尾等。第四節(jié)無(wú)損探傷一、無(wú)損探傷的基本概念無(wú)損探傷一般有三種含義：.無(wú)損檢測(cè) NDT （ Non destructive Test ing ）;.無(wú)損檢查 NDI （ Nondestructive I

12、nspection ）.無(wú)損評(píng)價(jià) NDE （ Non destructive Evaluatio n ）NDT僅僅是檢測(cè)出缺陷；NDI則以NDT結(jié)果為判定基礎(chǔ)；而NDE則是對(duì)被測(cè)對(duì)象的 完整性、可靠性 等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。近年來(lái)，無(wú)損探傷已逐步從NDT向NDE過(guò)渡。無(wú)損檢測(cè)的方法： 對(duì)鐵磁材料，可采用磁粉檢測(cè)法；對(duì)導(dǎo)電材料，可用電渦流法；對(duì)非導(dǎo)電材料還可以用熒光染色滲透法。以上幾種方法只能檢測(cè)材料表面及接近表面的缺陷。 采用放射線（X光、中子、3射線）照相檢測(cè)法可以檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷，但對(duì)人體有較大的危險(xiǎn)，且設(shè)備復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。 除此之外，還有紅外、激光、聲發(fā)射、微波、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（C

13、T）探傷等。超聲波檢測(cè)和探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損探傷手段。 特點(diǎn)：既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷，這是X光探傷所達(dá)不到的深度。 （三）超聲探傷分類：A、B、C等幾種類型。A型超聲探傷 A型探傷的結(jié)果以二維坐標(biāo)圖形式給出。它的橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為反射波強(qiáng)度?？梢詮亩S坐標(biāo)圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較難識(shí)別缺陷的性質(zhì)、類型。B型超聲探傷B型超聲探傷的原理類似于醫(yī)學(xué)上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標(biāo)，探傷深度作為縱坐標(biāo)，以屏幕的輝度（亮度）來(lái)反映反射波的強(qiáng)度。它 可以繪制被測(cè)材料的縱截面圖形。探頭的掃描可以是機(jī)械式的，更多的是用計(jì)算機(jī)來(lái)控制一組發(fā)射晶片陣列（線陣

14、）來(lái)完成與機(jī)械式移動(dòng)探頭相似的掃描動(dòng)作，但掃描速度更快，定位更準(zhǔn)確。C型超聲探傷目前發(fā)展最快的是 C型探傷，它類似于醫(yī)學(xué)上的CT掃描原理。計(jì)算機(jī)控制探頭中的三維晶片陣列（面陣），使探頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內(nèi)部缺陷的橫截面圖，這個(gè)橫截面與掃描聲束相垂直。橫截面圖上各點(diǎn) 的反射波強(qiáng)通過(guò)相對(duì)應(yīng)的幾十種顏色，在計(jì)算機(jī)的高分辨率彩色顯示器上顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個(gè)斷面的切片圖像。C型超聲探傷的特點(diǎn)：利用三維動(dòng)畫原理，分析員可以在屏幕上控制該立體圖像，以任意角度來(lái)觀察缺 陷的大小和走向。,并應(yīng)的解釋和評(píng)判其果。,并應(yīng)的解釋和評(píng)判其果。橫波探傷和表面波每

15、一次掃描的原始數(shù)據(jù)都可記錄并存貯，可以在以后的任何時(shí)刻調(diào)用，并打印探傷結(jié) 二、A型超聲探傷A型超聲探傷采用超聲脈沖反射法。而脈沖反射法根據(jù)波形不同又可分為縱波探傷、 探傷等。A型超聲探傷儀外形如圖7-12所示。H圖7-12 A型超聲波探傷儀外形a）臺(tái)式A型探傷儀b）便攜式A型探傷儀1電纜插頭座2一工作方式選擇3一衰減細(xì)調(diào)4一衰減粗調(diào)5 一發(fā)射波T6一第一次底反射波 B1 7一第二次底反射波 B2 8一第五次底反射波 B5 9 一掃描時(shí) 間調(diào)節(jié) 10 掃描時(shí)間微調(diào) 11 脈沖X軸移位12 一報(bào)警揚(yáng)聲器13 一直探頭（一）縱波探傷的方法測(cè)試前，先將探頭插入探傷儀的連接插座上。探傷儀面板上有一個(gè)熒光

16、屏，通過(guò)熒光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作時(shí)探頭放于被測(cè)工件上，并在工件上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。探頭發(fā)出的超聲波，以一定速度向工件內(nèi)部傳播，如工件中沒(méi)有缺陷，則超聲波傳到工件底部便產(chǎn)生反射，反射波到達(dá)表面后再次向下反射，周而復(fù)始，在熒光屏上出現(xiàn)始脈沖T和一系列底脈沖B1、B2、B3、?（見圖 7-12） 所示。B波的高度與材料對(duì)超聲波的衰減有關(guān)，可以用于判斷試件的材質(zhì)、內(nèi)部晶體粗細(xì)等微觀缺陷?？v波探傷示意圖如圖7-13所示。a）無(wú)缺陷時(shí)超聲波的反射及顯示波形b）有缺陷時(shí)超聲波的反射及顯示波形熒光屏上的水平亮線為掃描線（時(shí)間基線），其長(zhǎng)度與工件的厚度成正比（可調(diào)整）圖7-13縱波探傷示意圖1?缺陷面積大，則缺陷脈沖F脈沖的幅度就高，而 B脈沖的幅度就低。2. F脈沖距離T脈沖越近，缺陷距離表面經(jīng)越近。例7