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1、第七章超声波传感器课题：超声波传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：11教材分析难点：无损探伤重点：超声波传感器的应用教学目的和要求1、了解超声波的物理基础；2、掌握纵波探伤的计算；4、了解无损探伤的原理。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种超声波传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将超声波换能器浸入透明的杯子中，可以看到水受到强烈的振动，形成喷泉和水雾。结论：超声波的方向性强，能量集中。第一节超声波物理基础一、声波的本质和分类声波是一种机械波。1.可闻声波：振动频率在20Hz20kHz的范围内，可为人耳所感觉2 .次声波：振动频率在20Hz以下人耳无法感知，但许多动
2、物却能感受到。比如地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。3 .超声波：振动频率高于20kHz的机械振动波超声波的特点：指向性好，能量集中，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的特性与频率的关系：频率越高，其声场指向性就愈好，与光波的反射、折散特性就越接近。二、超声波的传播方式超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。三、声速、波长与指向性（1）声速声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抗。几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系如表7-1所示。表7-1常用材料的密度、声阻抗与声速（
3、环境温度为0C）材料密度3-1p/10kgm声阻抗-1z/10MPas纵波声速-1CL/kms横波声速-1CS/kms钢7.8465.93.23铝2.7176.33.1铜8.9424.72.1有机玻璃1.183.22.71.2甘油1.262.41.9水（20C）1.01.481.48油0.91.281.4二空气0.00120.00040.34二分析表7-1:多数情况下，密度和声阻抗越大，声速越快。第二节超声波换能器及耦合技术超声波换能器有时又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表
4、面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，超声波探头结构示意图如图7-5所示。图7-5超声波探头结构示意图a）单晶直探头b）双晶直探头c）斜探头1接插件2外壳3阻尼吸收块4引线5压电晶体6保护膜7隔离层8延迟块9有机玻璃斜楔块10试件11耦合剂一、以固体为传导介质的超声探头（1）单晶直探头分析发射和接收过程：发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声范围内、持续时间很短的超声振动波。超声波到达被测物底部后，超声波的绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。利用压电效应，晶片将机械
5、振动波转换成同频率的交变电荷和电压。由于衰减等原因，该电压通常只有几十毫伏，还要加以放大，才能在显示器上显示出该脉冲的波形和幅值。结论：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，电子开关切换电路框图见第三节的图7-10。（2）双晶直探头结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。（3）使用斜探头的目的：为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可使压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声
6、波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去。二、以空气为传导介质的超声探头发射器的压电片上必须粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声、提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围：几米至几十米。图7-6空气传导型超声发生、接收器结构a）超声发射器b）超声接收器1外壳2金属丝网罩3锥形共振盘4压电晶片5引脚6阻抗匹配器7超声波束三、耦合剂用途：1防磨损；2必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。常用的耦合剂：水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。分析各种场合，使用不同的耦合剂。8）大面积钢板探伤时，耦
7、合剂应选为宜；机床床身探伤时，耦合剂应选为宜；给人体做B超时，耦合剂应选。A.自来水B.机油C.液体石蜡D.化学浆糊第三节超声波传感器的应用2.超声波测厚测量试件厚度的方法：电感测微器（分辨力可达0.5卩m）、电涡流测厚仪（只能测0.1mm以内的金属厚度）、数显电容式游标卡尺（分辨力可达10卩m）。超声测厚仪特点：量程范围大、无损、便携等。缺点：测量精度与温度及材料的材质有关。在电路上只要在从发射到接收这段时间内使计数电路计数，便可达到数字显示之目的。,1ct7-423.超声波测量液位和物位林冲放大器77777777777777777777图7-10超声波液位计原理图1液面2直管3空气超声探头
8、4反射小板5电子开关例7-1超声波液位计原理如图7-10所示，从显示屏上测得t0=2ms,thi=5.6ms。已知水底与超声探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.34m,求液位h。解由于h。，*t0th1所以有th1.h1=h1h0=(5.60.34/2)m=0.95mto所以液位h为h=h2-h1=(10-0.95)m=9.05m由于空气中的声速随温度改变会造成温漂，所以在传送路径中还设置了一个反射性良好的小板作标准参照物，以便计算修正。上述方法除了可以测量液位外，也可以测量粉体和粒状体的物位。4.超声防盗报警器图7-11为超声报警电路。上图为发射部分，下图为接收部分的电原理框图。它
9、们装在同一块线路板上。发射器发射出频率f=40kHz左右的连续超声波(空气超声探头选用40kHz工作频率可获得较高灵敏度，并可避开环境噪声干扰)。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v,从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移讦。f脉沖放丈器提生器他(kHz)选频(4恥血)/A/第检谀器低通低频放大器声、光%第-检波娜图7-11超声防盗报警器电原理框图多普勒效应：当超声波源与传播介质之间存在相对运动时，接收器接收到的频率与超声波源发射的频率将有所不同。产生的频偏_.f与相对速度的大小及方向有关。举例：当高速行驶的火车向你逼近和掠过时，所产生的变调声就是多普勒效应引起的。接收
10、器的电路原理：压电喇叭收到两个不同频率所组成的差拍信号（40kHz以及偏移的频率40kHzAf）。这些信号由40kHz选频放大器放大，并经检波器检波后，由低通滤波器滤去40kHz信号，而留下f的多普勒信号。此信号经低频放大器放大后，由检波器转换为直流电压，去控制报警扬声器或指示器。利用多普勒原理的好处：可以排除墙壁、家具的影响（它们不会产生也f）,只对运动的物体起作用。由于振动和气流也会产生多普勒效应，故该防盗报警器多用于室内。扩散思维：根据本装置的原理，还能运用多普勒效应去测量运动物体的速度，液体、气体的流速，汽车防碰、防追尾等。第四节无损探伤一、无损探伤的基本概念无损探伤一般有三种含义：1
11、. 无损检测NDT（NondestructiveTesting）；2. 无损检查NDI（NondestructiveInspection）3. 无损评价NDE（NondestructiveEvaluation）。NDT仅仅是检测出缺陷；NDI则以NDT结果为判定基础；而NDE则是对被测对象的完整性、可靠性等进行综合评价。近年来，无损探伤已逐步从NDT向NDE过渡。无损检测的方法：对铁磁材料，可采用磁粉检测法；对导电材料，可用电涡流法；对非导电材料还可以用荧光染色渗透法。以上几种方法只能检测材料表面及接近表面的缺陷。采用放射线（X光、中子、3射线）照相检测法可以检测材料内部的缺陷，但对人体有较大
12、的危险，且设备复杂，不利于现场检测。除此之外，还有红外、激光、声发射、微波、计算机断层成像技术（CT）探伤等。超声波检测和探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。特点：既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是X光探伤所达不到的深度。（三）超声探伤分类：A、B、C等几种类型。（1）A型超声探伤A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为反射波强度。可以从二维坐标图上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但较难识别缺陷的性质、类型。（2）B型超声探伤B型超声探伤的原理类似于医学上的B超。它将探头的扫描距离作为横坐标，探伤深度作为纵坐标，以屏幕的辉度（亮度）来反映反射波的强度。
13、它可以绘制被测材料的纵截面图形。探头的扫描可以是机械式的，更多的是用计算机来控制一组发射晶片阵列（线阵）来完成与机械式移动探头相似的扫描动作，但扫描速度更快，定位更准确。（3）C型超声探伤目前发展最快的是C型探伤，它类似于医学上的CT扫描原理。计算机控制探头中的三维晶片阵列（面阵），使探头在材料的纵、深方向上扫描，因此可绘制出材料内部缺陷的横截面图，这个横截面与扫描声束相垂直。横截面图上各点的反射波强通过相对应的几十种颜色，在计算机的高分辨率彩色显示器上显示出来。经过复杂的算法，可以得到缺陷的立体图像和每一个断面的切片图像。C型超声探伤的特点：利用三维动画原理，分析员可以在屏幕上控制该立体图像
14、，以任意角度来观察缺陷的大小和走向。当需要观察缺陷的细节时，还可以对该缺陷图像进行放大（放大倍数可达几十倍）并显示出图像的各项数据，如缺陷的面积、尺寸和性质。对每一个横断面都可以作出相应的解释和评判其是否超出设定标准。每一次扫描的原始数据都可记录并存贮，可以在以后的任何时刻调用，并打印探伤结果。二、A型超声探伤A型超声探伤采用超声脉冲反射法。而脉冲反射法根据波形不同又可分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤等。A型超声探伤仪外形如图7-12所示。图7-12A型超声波探伤仪外形a）台式A型探伤仪b）便携式A型探伤仪1电缆插头座2工作方式选择3衰减细调4衰减粗调5发射波T6第一次底反射波Bi7第二次底
15、反射波B28第五次底反射波B59扫描时间调节10扫描时间微调11脉冲X轴移位12报警扬声器13直探头（一）纵波探伤的方法测试前，先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板上有一个荧光屏，通过荧光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作时探头放于被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。探头发出的超声波，以一定速度向工件内部传播，如工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部便产生反射，反射波到达表面后再次向下反射，周而复始，在荧光屏上出现始脉冲T和一系列底脉冲B1、B2、B3、（见图7-12）所示。B波的高度与材料对超声波的衰减有关，可以用于判断试件的材质、内部晶体粗细等微观缺陷。纵波探伤示意图如图7-13所示。图7-13纵波探伤示意图a）无缺陷时超声
