第七章超声波传感器

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1、上海电机学院电气学院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20Hz～20kHz的

2、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

3、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（环境温度为0℃）材料密度声阻抗纵波声速横波声速ρ/103kg·m-1z/10MPa·s-1cL/km·s-1cS/km·s-1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（20℃）1.01.481.48---7上海电机学院电气学院油0.91.281.4---空气0.00120.00040.34---分析表7-1

4、：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、

5、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

6、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，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去。7上海电机学院电气学院二、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

7、。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，耦合剂应选______为宜；机床床身探伤时，耦合剂应选____

8、__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0.5μm）、电涡流测厚仪（只能测