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1、4.6 4.6 超声波式传感器超声波式传感器 机机机机器器器器鱼鱼鱼鱼自自自自动动动动避避避避障障障障模模模模块块块块设计设计设计设计对对于于自自动动避避障障，本本项项目目通通过过一一个个超超声声波波传传感感器器来来实实现现。超超声声波波传传感感器器的的原原理理是是：超超声声波波由由压压电电陶陶瓷瓷超超声声传传感感器器（收收发发一一体体化化TRTR）发发出出后后，遇遇到到障障碍碍物物便便反反射射回回来来，再再被被超超声声波波传传感感器器接接收收，然然后后将将这这一一接接收收信信号号放大后送入单片机。放大后送入单片机。4:03AM14.6.1 超声波及其物理性质超声波及其物理性质 波动（简称波）
2、：波动（简称波）：波动（简称波）：波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播振动在弹性介质内的传播声波声波声波声波：其频率在：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波之间，能为人耳所闻的机械波次声波次声波次声波次声波：低于：低于16 Hz的机械波的机械波超声波超声波超声波超声波：高于：高于2104 Hz的机械波的机械波微波微波微波微波：频率在：频率在310831011 Hz之间的波之间的波4:03AM2图：声波的频率界限图4:03AM3 次次声声波波是是频频率率低低于于20赫赫兹兹的的声声波波，人人耳耳听听不不到到，但但可可与与人人体体器器官官发发生生共共振振，78Hz的的次次声声波波
3、会会引引起起人人的的恐恐怖怖感感，动动作作不不协协调调，甚甚至至导导致致心心脏脏停停止止跳跳动动。产产生生次次声声波波的的声声源源是是相相当当广广泛泛的的，现现在在人人们们已已经经知知道道的的次次声声源源有有：火火山山爆爆发发、坠坠入入大大气气层层中中的的流流星星、极极光光、地地震震、海海啸啸、台台风风、雷雷暴暴、龙龙卷卷风风、电电离离层层扰扰动动，等等等等。利利用用人人工工的的方方法法也也能能产产生生次次声声波波，例例如如核核爆爆炸炸、火火箭箭发发射射、化学爆炸，等等。、化学爆炸，等等。大面积瞬间杀人于无形的次声波武器大面积瞬间杀人于无形的次声波武器1.次声波4:03AM41980年，一艘名
4、叫年，一艘名叫“马尔波罗马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪；英国的途中突然神秘地失踪；20年后，却在火地岛附近年后，却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位，保持着工作状态。科学家死多年的船员也都各就各位，保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注，经过长期研究，对他们的神秘死亡引起了极大的关注，经过长期研究，终于发现，原来他们正是死于海上风暴产生的次声。终于发现，原来他们正是死于海上风暴产生的次声。n次声波的危害次声波的危害4:03AM51992年
5、年11月月24日，桂林上空发生了一起空难，日，桂林上空发生了一起空难，141人死亡。人死亡。当事件的原因经多方解释而未肯定之时，中国声学研究所当事件的原因经多方解释而未肯定之时，中国声学研究所的专家，提出了存在着因的专家，提出了存在着因“次声波次声波”的作用而致使飞机坠的作用而致使飞机坠毁的可能性。桂林属半丘陵地带，气团依山势走向而上下毁的可能性。桂林属半丘陵地带，气团依山势走向而上下浮动，引起气流震动，会产生一种浮动，引起气流震动，会产生一种“山背波山背波”的次声波，的次声波，当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时，当飞机遇到这种危害极大的由次声波引起的晴空湍流时，如同落入一个风旋
6、涡中，在挤压力、冲力等多种强劲外力如同落入一个风旋涡中，在挤压力、冲力等多种强劲外力的作用下，将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。还有的作用下，将造成飞机失控、产生机毁人亡的恶果。还有研究结果表明，次声波对飞机的影响还有一种研究结果表明，次声波对飞机的影响还有一种“生物效应生物效应”。该理论认为，当次声波的频率接近人体频率时，就有。该理论认为，当次声波的频率接近人体频率时，就有可能产生可能产生“共振共振”，飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应，飞机驾驶员无法承受这种强烈的效应，就有致命的危险。也就是说，此次空难的凶手很可能就是就有致命的危险。也就是说，此次空难的凶手很可能就是这种次声波。这种次声波
7、。4:03AM6次声波武器次声波武器按照感官刺激分类，目前研制出来的次按照感官刺激分类，目前研制出来的次声武器可分为两种。一种是神经型次声武器，声武器可分为两种。一种是神经型次声武器，它通过发射频率与人脑的它通过发射频率与人脑的“阿尔法节律阿尔法节律”相相近（约近（约5Hz）的次声波，刺激人的神经，使人）的次声波，刺激人的神经，使人晕眩头痛、精神错乱。另一种是器官型次声晕眩头痛、精神错乱。另一种是器官型次声武器，通过发射频率与人体内脏固有频率相武器，通过发射频率与人体内脏固有频率相当（当（48Hz）的次声波，使人出现恶心呕吐、）的次声波，使人出现恶心呕吐、胃痛、呼吸困难等症状。胃痛、呼吸困难等
8、症状。相对于传统概念的武器，次声波武器具相对于传统概念的武器，次声波武器具有隐蔽性强、传播速度快、传播距离远、穿有隐蔽性强、传播速度快、传播距离远、穿透力强、不污染环境和破坏设施等特点，从透力强、不污染环境和破坏设施等特点，从而被列为新概念武器家族的重要成员，势必而被列为新概念武器家族的重要成员，势必成为未来战场上的武器新宠。成为未来战场上的武器新宠。4:03AM7早在上世纪早在上世纪60年代，发达国家就年代，发达国家就竞相研究次声波武器。竞相研究次声波武器。1972年法国国年法国国家实验中心制成一台强次声发生器，家实验中心制成一台强次声发生器，首次试验就使首次试验就使5公里以内的人员受到公里
9、以内的人员受到伤害。上世纪伤害。上世纪80年代法国科学家加弗年代法国科学家加弗罗制出了一种罗制出了一种“大哨笛大哨笛”次声发生器，次声发生器，声压级为声压级为160dB，能对人体器官产生，能对人体器官产生损伤，当时法国报纸称它为损伤，当时法国报纸称它为“次声枪次声枪”。1979年苏联秘密进行次声炸弹试年苏联秘密进行次声炸弹试验，由于当时对其威力估计不足，又验，由于当时对其威力估计不足，又缺乏良好防护，造成数名现场人员死缺乏良好防护，造成数名现场人员死亡。亡。法国科学家加夫雷奥 声波武器鼻祖 4:03AM8美国更是不甘落后。美国陆军武器研究室研制出一种可美国更是不甘落后。美国陆军武器研究室研制出
10、一种可延伸至延伸至17米长的喇叭型声炮，发射功率达米长的喇叭型声炮，发射功率达20kW（千瓦）。（千瓦）。上世纪上世纪70年代，美警方开发了使人年代，美警方开发了使人“僵化僵化”或失去战斗或失去战斗力的次声武器，来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时，力的次声武器，来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时，曾秘密用过这些非致命次声武器，仅几秒钟就使塞军阵曾秘密用过这些非致命次声武器，仅几秒钟就使塞军阵地陷入一片混乱，有人昏倒，有人呕吐不止。地陷入一片混乱，有人昏倒，有人呕吐不止。远程声波设备目前已经广泛用于反暴乱和反恐行动,图为装备LRAD的美军“斯特赖克”装甲车 4:03AM9n次声波的应用次声波的应
11、用(1)(1)通通过过研研究究自自然然现现象象所所产产生生的的次次声声波波的的特特性性和和产产生生的的机机理理，更更深深入入地地研研究究和和认认识识这这些些自自然然现现象象的的特特征征与与规规律律。例例如如，利利用用极极光光所所产产生生的的次次声声波波，可可以研究极光活动的规律。以研究极光活动的规律。(2)(2)利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如， 通通过过接接收收核核爆爆炸炸、火火箭箭发发射射或或者者台台风风产产生生的的次次声声波波，来来探探测测出出这这些些次次声声
12、源源的的有有关关参参量。量。 4:03AM10(3)次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。(4)人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他(或它)们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。4:03AM112.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。4:03
13、AM123.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。4:03AM13蝙蝠依靠超声波捕食4:03AM14 超声波与可闻声波不同，它可以超声波与可闻声波不同，它可以超声波与可闻声波不同，它可以超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。被聚焦，具有能量集中的特点。被聚焦，具有能量集中的特点。被聚焦，具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器超声波加湿器超声波加湿器4:03AM15压电陶瓷或磁致伸缩材料压电陶瓷或磁致伸缩材料压电陶瓷或磁致伸缩材料压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄
14、脉冲作用下，在高电压窄脉冲作用下，在高电压窄脉冲作用下，在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可得到较大功率的超声波，可得到较大功率的超声波，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成可以被聚焦，能用于集成可以被聚焦，能用于集成可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。 超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机4:03AM16超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到
15、两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。类似于光波。类似于光波。类似于光波。便携式超声波探鱼器便携式超声波探鱼器4:03AM17鱼群探测器鱼群探测器把这种探测器放在海里，它就会向水底发射声波，如果有鱼群通过，鱼群吐出的大量水泡会使声波反射回来，并通过压电陶瓷接收声波，变成电讯号，人们就可以从仪器上知道鱼群的位置。用同样的方法，也可以探测到海底暗礁，侦察在海洋里活动的敌人的潜水艇。 4:03AM18美国蜂鸟595C系列鱼群探测
16、器（鱼群探测器（GPS卫星定位彩屏3￥7580 ）4:03AM19超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用 胎儿胎儿胎儿胎儿B B B B超超超超影像影像影像影像4:03AM20超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产
17、生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为现象被称之为“空化作用空化作用空化作用空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。波
18、来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声波清洗应用范围非常广泛，主要超声波清洗应用范围非常广泛，主要应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适应用于机械、电子、光学、医药、电镀、涂装及真空镀膜前处理等行业。特别适用于表面形状复杂的零件，如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗，用于表面形状复杂的零件，如对精密工件上的狭缝、凹槽、深孔、肓孔的清洗，同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及同时能够清洗掉零件表面油污、锈蚀及氧化皮。特别对制药行业各种玻璃制器及内外科器械的清洗效果最为理想，不仅能达到清洗的目的，还能对玻璃器皿内外内外科器械
19、的清洗效果最为理想，不仅能达到清洗的目的，还能对玻璃器皿内外壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用，达到消毒灭菌的作用。壁附着的各种微生物、病菌起到粉碎作用，达到消毒灭菌的作用。4:03AM21超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物4:03AM22电子行业专用超声波清洗机电子行业专用超声波清洗机电子零件的清洗电子零件的清洗/元器件的基体清洗元器件的基体清洗/PCB板的清洗板的清洗/电子材料加工成型后的清洗电子材料加工成型后的清洗珠宝行业专用超声波清洗机珠宝行业专用超声波清洗机液晶行业专用超声波清洗机
20、液晶行业专用超声波清洗机4:03AM234.6.2 超声波物理基础超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。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，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。4:03AM24纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播。和气体介质中传播。横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质
21、中传播。播。 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。蓝姆波：蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。蓝姆波：蓝姆波沿着板的两个表面及中部传播。 超声波种类超声波种类4:03AM25纵波4:03AM26横波 4:03AM27表面波4:03AM28图10-2超声波的反射和折射超声波的反射和折射超声波的反射和折射4:03AM29利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超利用超声波物理特性和各种效应而
22、研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。4.6.3 超声波传感器原理超声波传感器原理超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中伸缩式、电磁式等，在检测技术中压电式最为压电式最为常用常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的它是利用压电材料的压电效应压电效应来工作的来工作的, ,逆压电逆压电效应效应将高
23、频电振动转换成高频机械振动，从而将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头头；由于其结构不同，分为直探头式、斜探头式和双探头式。式和双探头式。4:03AM30压电式超声波发生器压电式超声波发生器就是就是利用利用压电晶体的电致伸缩现象压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压，使它料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料
24、切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图所示。 1. 超声波的发生超声波的发生 式中，式中，n=1n=1，2 2，3 3，是谐波的级数；是谐波的级数；c c为波在压电材为波在压电材料里的传播速度料里的传播速度( (纵波纵波) )； 式中，式中，E E为杨氏模量；为杨氏模量； 为压电材料的密度。为压电材料的密度。 压电材料的固有频率与晶体片厚度压电材料的固有频率与晶体片厚度d d有关，即有关，即因此，压电材料的固有频率为因此，压电材料的固有频率为根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时根据共振原理，当外加交
25、变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。产生的超声波最强。 压电式超声波发生器可以产生几十压电式超声波发生器可以产生几十kHzkHz到几十到几十MHzMHz的高频超的高频超声波，产生的声强可达几十声波，产生的声强可达几十W Wcm2cm2。4:03AM31磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加
26、以交流电时，它可工作在特性最好的区域。再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。变化，即机械振动，从而产生超声波。磁致伸缩超声波发生器是用厚度为磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.10.10.4mm0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如图所示。减少涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如图所示。 磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生
27、器只磁致伸缩超声波发生器只能用在几万能用在几万HzHz的频率范围的频率范围以内，但功率可达十万以内，但功率可达十万W W，声强可达几千声强可达几千W Wcm2cm2，能，能耐较高的温度。耐较高的温度。4:03AM322.2.超声波的接收超声波的接收 在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效利用超声波发生器的逆效应而进行工作的应而进行工作的。当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶
28、片的两个界面上产生交当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。兼做超声波接收器。磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用到磁磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩，引起它的内部磁场致伸缩材料上时，使磁
29、致材料伸缩，引起它的内部磁场( (即导磁特性即导磁特性) )的变化。的变化。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，并将此电动势送根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，并将此电动势送到测量电路及记录显示设备。它的结构也与发生器差不多。到测量电路及记录显示设备。它的结构也与发生器差不多。 4:03AM33超声波传感器对超声波传感器对4:03AM34超声波探头：超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。4:03AM35各种超声波探头各种超声波探头各种超声波探头各种超声波探头常用频率范围：
30、常用频率范围：0.50.510MHz10MHz，常见晶片直，常见晶片直径：径：5 530mm30mm接触式直探头（纵波垂直入射接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）到被检介质） 外外壳壳用用金金属属制制作作，保保护护膜膜用用硬硬度度很很高高的的耐耐磨磨材材料料制制作作，防防止止压压电电晶晶片片磨磨损。损。 保护膜保护膜接插件接插件4:03AM36接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 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
31、测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件4:03AM37各种接触式斜探头各种接触式斜探头各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1 15MHz5MHz4:03AM38接触法双晶直探头接触法双晶直探头接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，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。 发射晶片发射晶片
32、接收晶片接收晶片4:03AM39各种双晶直探头各种双晶直探头各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70 4:03AM40接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续）4:03AM41 水浸探头水浸探头水浸探头水浸探头（可用自来水作为耦合剂）（可用自来水作为耦合剂） 选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。4:03AM42超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射
33、出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。4:03AM43耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，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。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。4:03AM44 超声波的应用有两两两两种种种种基基基基本本本本类类类类型型型型：当超声发射器与接收器分别置于
34、被测物两侧时，这种类型称为透透透透射射射射型型型型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反反反反射射射射型型型型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 4.6.4 超声波传感器应用超声波传感器应用 4:03AM45超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 4:03AM46超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 4:03AM47超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测4:03AM48叠放叠放高度测量高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用
35、举例（续）4:03AM49超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物物件放置错误检测件放置错误检测4:03AM50超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制透明塑料张力控制4:03AM51机械手定机械手定位位超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）4:03AM52纸卷直径检测纸卷直径检测超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）4:03AM53平整度测量平整度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）4:03AM54超长距离检测超长距离检测超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）4:03AM55流水线计数流水
36、线计数超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）4:03AM56对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。案例案例1.超声波探伤超声波探伤(1) (1) 穿透法探伤穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状
37、况，来判别工件内部质透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。波可以是连续波，也可以是脉冲。 在探测中，在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。就可以把工件内部缺陷检测出来
38、。穿透法探伤示意图穿透法探伤示意图4:03AM57(2) (2) 反射法探伤反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。反射法探伤示意图反射法探伤示意图高频脉冲发生器产生的脉冲高频脉冲发生器产生的脉冲( (发射波发射波) )加在探头加在探头上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到声波遇到缺陷缺陷
39、F F时反射回来；另一部分超声波继时反射回来；另一部分超声波继续传至续传至工件底面工件底面B B，也反射回来。由缺陷及底面，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波冲。发射波T T、缺陷波、缺陷波F F及底波及底波B B经放大后，在显经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线为扫描线( (时间基准时间基准) )，其长度与时间成正比。，其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度
40、，可判断缺求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有处反射回来，荧光屏上只有T T、F F波，没有波，没有B B波。波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有当工件无缺陷时，荧光屏上只有T T、B B波，没有波，没有F F波。波。4:03AM58超声波探伤超声波探伤tA4:03AM59无损探伤无损探伤 材料的缺陷材料的缺陷 人人们们在在使使用用各各种种材材料料（尤尤其其是是金金属属材材料料）的的长长期期实实践践中中，观观
41、察察到到大大量量的的断断裂裂现现象象，它它曾曾给给人人类类带带来来许许多多灾灾难难事事故故，涉涉及及舰舰船船、飞飞机机、轴轴类类、压压力力容容器、宇航器、核设备等。器、宇航器、核设备等。 路轨断裂事故路轨断裂事故4:03AM60无损探伤的方法无损探伤的方法 对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁磁磁磁粉粉粉粉检检检检测测测测法法法法、电电电电涡涡涡涡流流流流法法法法、荧荧荧荧光光光光染染染染色色色色渗渗渗渗透透透透法法法法、放放放放射射射射线线线线（x x光光光光、中中中中子子子子）照照照照相相相相检检检检测测测测法法
42、法法、超声波探伤法、霍尔元件探伤法超声波探伤法、霍尔元件探伤法超声波探伤法、霍尔元件探伤法超声波探伤法、霍尔元件探伤法等。 4:03AM61磁粉检测法磁粉检测法磁粉检测法磁粉检测法磁悬液磁悬液磁悬液磁悬液磁粉检测仪磁粉检测仪磁粉检测仪磁粉检测仪 将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。4:03AM62X X光探伤光探伤光探伤光探伤 将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。4:03AM63 计计算算机机断断层层成成像像技技术术 (CT
43、) (CT) 是是一一种种重重要要的的 无无 损损 检检 测测 技技 术术 (NDT) (NDT) ，是是物物理理学学与与计计算算机机科科学学的的发发展展产产物物。它它是是基基于于射射线线与与物物质质的的相相互互作作用用原原理理，通通过过投投影影重重建建方方法法获获取取被被检检测测物物体体的的数数字字图图像像，全全面面解解决决了了传传统统 x x射射线线摄摄影影装装置置的的影影像像重重叠叠、密密度度分分辨辨率率低低等缺点。等缺点。（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）计算机断层成像技术计算机断层成像技术计算机断层成像技术计算机断层成像技术(
44、CT)(CT)探伤探伤探伤探伤4:03AM64CTCT探伤成像探伤成像探伤成像探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）4:03AM65超声波探伤超声波探伤超声波探伤超声波探伤 超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它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。 A型型超声探伤反超声探伤反射波形射波形裂纹裂纹4:03AM66A A型超声波探伤型超声波探伤型超声波探伤型超声波探伤起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷4:03AM67钢轨探伤车钢轨探伤车钢轨探伤车钢轨探伤车滑板式
45、探头滑板式探头 4:03AM68高速钢轨探伤车高速钢轨探伤车高速钢轨探伤车高速钢轨探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式探头铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）（也称做轮式探头）4:03AM69铁路钢轨探头铁路钢轨探头铁路钢轨探头铁路钢轨探头 铁路钢轨对接焊铁路钢轨对接焊铁路钢轨对接焊铁路钢轨对接焊缝探测用探头缝探测用探头缝探测用探头缝探测用探头缺陷缺陷铁路钢轨探伤铁路钢轨探伤铁路钢轨探伤铁路钢轨探伤用滑板式探头用滑板式探头用滑板式探头用滑板式探头焊缝焊缝4:03AM70 管道环焊缝超声波检测装置管道环焊缝超声波检测装置管道环焊缝超声波检测装置管道环焊缝超声波检测装置 管道环焊缝超声波检测装置原
46、理管道环焊缝超声波检测装置原理4:03AM71超声探伤仪超声探伤仪超声探伤仪超声探伤仪4:03AM72构件的超声探伤构件的超声探伤构件的超声探伤构件的超声探伤4:03AM73构件的超声探伤（续）构件的超声探伤（续）构件的超声探伤（续）构件的超声探伤（续）4:04AM74构件的超声探伤构件的超声探伤构件的超声探伤构件的超声探伤4:04AM75案例案例2.超声波测液位超声波测液位超声波测液位示意图超声波测液位示意图超声波测液位是利用回声原理进行工作超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如图所示。当超声波探头向液面发的，如图所示。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间射短促的超声脉冲，经过时
47、间t t后，探头后，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因接收到从液面反射回来的回音脉冲。因此探头到液面的距离此探头到液面的距离L L可由下式求出可由下式求出超声波速度超声波速度c c在各种不同的液体中是不同的；即使在同一种液体中，由于温度在各种不同的液体中是不同的；即使在同一种液体中，由于温度和压力的不同，其值也是不同的。因为液体中有其他成分的存在及温度的不和压力的不同，其值也是不同的。因为液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要考均匀都会使超声波速度发生变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。利用这种方法也可以测量料
48、位。虑采取补偿措施。利用这种方法也可以测量料位。 式中，式中，c c为超声波在被测介质中的传播速度；为超声波在被测介质中的传播速度；t t为超声波发生器发出超声波到为超声波发生器发出超声波到接收到超声波的时间差。由此可见，只要知道超声波的速度，通过精确测量接收到超声波的时间差。由此可见，只要知道超声波的速度，通过精确测量时间时间t t的方法，就可以测量出距离的方法，就可以测量出距离L L。4:04AM76超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导型超在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面
49、。返时间，就可测得液体的液面。 4:04AM77超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形超声发生器喇叭形超声发生器4:04AM78在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法，原理：主要是测量超声波脉冲通过工件所波法，原理：主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中传需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件的厚度。主控制器产生一定频播的速度求出工件的厚度。主控制器产生一定频率的脉冲信号，并控制发射电路把它经电流放大率的脉冲信号，并控制发射电路把它经电流放大后接到超声波发生器上去。超声波发生器产生的
50、后接到超声波发生器上去。超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后，被底面反射回来，并由同超声脉冲进入工件后，被底面反射回来，并由同一个超声波发生器接收。接收到的脉冲信号经放一个超声波发生器接收。接收到的脉冲信号经放大器加至示波器垂直偏转板上。标记发生器输出大器加至示波器垂直偏转板上。标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号，也加到示波器的一定时间间隔的标记脉冲信号，也加到示波器的垂直偏转板上。扫描电压加到示波器的水平偏转垂直偏转板上。扫描电压加到示波器的水平偏转板上。这样，在示波器荧光屏上可以直接观察到板上。这样，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号。接收间的时间间隔发射脉冲和接收
51、脉冲信号。接收间的时间间隔t t，试件的厚度，试件的厚度d d可用下式求出可用下式求出案例案例3.超声波测厚度超声波测厚度标记信号一般可以调节，根据标记信号一般可以调节，根据测量的要求选择。如果预先用测量的要求选择。如果预先用标准试件进行校正，可以根据标准试件进行校正，可以根据荧光屏上发射与接收两个脉冲荧光屏上发射与接收两个脉冲间的标记信号直接读出被测工间的标记信号直接读出被测工件的厚度。件的厚度。超声波测厚度示意图超声波测厚度示意图4:04AM79手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪4:04AM80超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚4:04AM81超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚
52、混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴木料测厚小提琴木料测厚4:04AM82双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头4:04AM83双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）4:04AM84案例案例4.超声波测距超声波测距 空空气气超超声声探探头头发发射射超超声声脉脉冲冲，到到达达被被测测物物时时，被被反反射射回回来来，并并被被另另一一只只空空气气超超声声探探头头所所接接收收。测测出出从从发发射射超超声声波波脉脉冲冲到到接接收收超超声声波波脉脉冲冲所所需需的的时时间间t t，再再乘乘以以空空气气的的声声速速（340m/s340m/s），就就是是超超声声脉脉冲冲在在被被测测距距离所经历的路程，除以离
53、所经历的路程，除以2 2就得到距离。就得到距离。 4:04AM85案例案例5.超声波测流量超声波测流量超声波流量传感器的测定原理是多样的超声波流量传感器的测定原理是多样的,如传播速度变化法、波速移如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法。声波传输时间差法。时间差法测量流量原理时间差法测量流量原理时间差法测量流量原理时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（声波发射和接收探头（F1，T1）、（
54、）、（F2，T2），其中），其中F1，T1的超声波是顺的超声波是顺流传播的，而流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差 t，可得到流体的，可得到流体的平均速度及流量。平均速度及流量。F1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 T14:04AM86F F1 1发射的超声波到达发射的超声波到达 F F2 2的时间较短的时间较短F1、F2是完全相同的超声探是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过头，安装在管壁外面，通过电子开关的
55、控制，交替地作电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。为超声波发射器与接收器用。首先由首先由F1发射出第一个超声发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被另一侧管壁被F2接收，此信接收，此信号经放大后再次触发号经放大后再次触发F1的驱的驱动电路，使动电路，使F1发射第二个声发射第二个声脉冲脉冲。紧接着，由。紧接着，由F2发射超发射超声脉冲，而声脉冲，而F1作接收器，可作接收器，可以测得以测得F1的脉冲重复频率为的脉冲重复频率为f1。同理可以测得。同理可以测得F2的脉冲的脉冲重复频率为重复频率为f2。顺流发射频率。顺流发射频率f1与逆流发射频率与逆流发
56、射频率f2的频率的频率差差 f与被测流速与被测流速v成正比成正比。F2F14:04AM87 发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧4:04AM88超声波换能器在管道上的配置方式超声波换能器在管道上的配置方式 4:04AM89同侧式超声波流量计的使用同侧式超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料）（参考北京菲波仪表有限公司资料）4:04AM90超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用超声波流量传感器具有超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点不阻碍流体流动的特点, , 可测流体种类很多可测流体种类很多, , 不不论是非导电的流体、论是非导电的流体、
57、 高高粘度的流体、浆状流体粘度的流体、浆状流体, , 只要能传输超声波的流只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业来水、工业用水、农业用水等进行测量。用水等进行测量。 还可还可用于下水道、农业灌溉、用于下水道、农业灌溉、 河流等流速的测量。河流等流速的测量。4:04AM91图4-105超声波流量测量原理a）发射器与接收器的安装位置b）电路组成框图 4:04AM92案例案例6.超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速4:04AM93什么是多普勒效应？什么是多普勒效应？ 多多普普勒勒效效应应是为纪念Christian
58、Doppler而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。当你站在公路旁，留意一辆快速行驶汽车的引擎声音，你会发现在它向你行驶时声音的音调会变高（即频率变高），在它离你而去时音调会变得低些（即频率变低）。这种现象叫做多普勒效应。4:04AM94什么是多普勒效应？什么是多普勒效应？多多普普勒勒效效应应指出，波在波源移向观察者时频率变高,而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。假设原有波源的波长为，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为（v+c）/，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（v-c）/。4:04AM95 前进方向的频率升高前进方向
59、的频率升高 如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应应应。测出f 就可得到运动速度。4:04AM96超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速风风 风引起超声波的频率变大或变小风引起超声波的频率变大或变小4:04AM97案例案例7.倒车雷达倒车雷达倒车雷达的主要作用是在倒车时，利用超声波原理，由装置于车尾保险杠上的探倒车雷达的主要作用是在倒车时，利用超声波原理，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波撞击障碍物后反射此声波探头，从而计算出车体与障碍物之间的实头发送超声波撞击障碍物后反射此声波探头，从而计算出车体与障
60、碍物之间的实际距离，再提示给驾驶者，使停车和倒车更容易、更安全。倒车雷达的提示方式际距离，再提示给驾驶者，使停车和倒车更容易、更安全。倒车雷达的提示方式可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。可分为液晶、语言和声音三种；接收方式有无线传输和有线传输等。汽车天眼汽车天眼4:04AM98众所周知，倒车雷达对于躲避后方障碍物众所周知，倒车雷达对于躲避后方障碍物避免发生碰撞是很好的警示设备，摆放在仪表避免发生碰撞是很好的警示设备，摆放在仪表台上的显示屏随时显示着与车后物体的距离，台上的显示屏随时显示着与车后物体的距离，但是许多司机的驾驶习惯还是转过头去一边观但是许多司机的驾驶习惯还
61、是转过头去一边观察后方情况，一边操控汽车，这也就无暇顾及察后方情况，一边操控汽车，这也就无暇顾及显示屏的数据。提示的蜂鸣音又不能准确地标显示屏的数据。提示的蜂鸣音又不能准确地标示出实际距离，令人放心地倒车。示出实际距离，令人放心地倒车。现在友福汽车服务公司向大家推荐的一款现在友福汽车服务公司向大家推荐的一款会说话的会说话的“倒车雷达倒车雷达”很好地满足了大家的需很好地满足了大家的需求。尤其解决了新手倒车时的畏惧心理，真人求。尤其解决了新手倒车时的畏惧心理，真人语言提示随时将车后空间距离读报出来，既准语言提示随时将车后空间距离读报出来，既准确又方便，你完全可以在语言提示下放心地将确又方便，你完全可以在语言提示下放心地将车停放入位，一旦进入危险距离范围内，语言车停放入位，一旦进入危险距离范围内，语言提示用急促的声音告诉你提示用急促的声音告诉你“停车停车”、“停车停车”，这时你踩下刹车踏板就可以避免撞车的危险。，这时你踩下刹车踏板就可以避免撞车的危险。真是方便之极令倒车者无后顾之忧。真是方便之极令倒车者无后顾之忧。安装倒车雷达可以提高倒安装倒车雷达可以提高倒车时的安全性车时的安全性4:04AM99
