自动检测技术 教学课件 作者 刘丽红 第9章 超声波传感器.ppt

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1、第九章超声波传感器主要讲授:1、超声波简介2、超声波发生器、接收器、探头3、超声波传感器的应用需要掌握的内容：1、掌握超声波发生器和接收器的结构和原理2、重点掌握超声波传感器应用超声波技术作为近代新技术正逐步应用到检测技术中来，特别是在环境条件恶劣、或要求无接触测量的许多场合，超声检测更显示它的优越性。下面是超声波传感器的一些图片超声波穿透式传感器德国Pico系列耐压型超声波位移传感器西门子超声波接近开关3RG6系列超声波时效冲击枪9.1超声波简介频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。1、能量集中，指向性很好，穿透本领大

2、，而能量损失不大。特点2、在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，结果遵循反射定律和折射定律。1、超声波的种类、声速纵波：质点振动方向与传播方向一致的波，如图9-2a所示。它能在固体、液体和气体中传播。为了测量在各种状态下的物理量，检测技术中多采用纵波。压电片通交流电产生的波即为纵波；人说话时产生的声波也是纵波。它可以在固体、液体、气体中传播。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如图9-2b所示。它只能在固体中传播。质点振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，波的振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波

3、，它只在固体表面传播。图9-2介质中的振荡形式(a)纵波质点的振动方向和波的传播方向(b)横波质点的振动方向和波的传播方向材料密度声阻抗纵波声速横波声速钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水1.01.481.48—油0.91.281.4—空气0.00130.00040.34—表9-1超声波在某些介质中的声速2、超声波倾斜入射时的反射和折射当超声波倾斜从一种介质入射到另一种介质中，在两介质的分界面处有反射和折射；超声波

4、在反射和折射时发生波形转换，产生两束反射波和两束折射波，一束为纵波，另一束为横波，如图所示；入射角、反射角、折射角和入射波、反射波、折射波波速之间的关系系遵循反射定律和折射定律。反射定律和折射定律3、超声波在介质中的衰减晶粒越粗或密度越小，衰减越快；频率越高，衰减也越快。气体的密度小，因此衰减越快，尤其在超声波频率高时，衰减更快；超声波探头和被测物之间很薄的空气层一般用耦合剂把它排除掉。9.2超声波传感器的原理9.2.1超声波发生器原理：压电效应、电致伸缩效应、磁致伸缩效应，电磁效应、动电效应等数种。1、压电式超声波发生器压

5、电材料的固有频率与晶片厚度有关，即式中，＝1，2，3，…是谐波的级数；常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波。2、磁致伸缩超声波发生器铁磁性物质在交变的磁场中，在顺着磁场方向产生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。磁致伸缩超声波发生器是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。磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠制而成。片间绝缘以减少涡流损耗。其结构有矩形、窗形等。图9-5磁致伸缩超声波发生器～d～d磁致伸缩超声波发生器的材料，除

6、镍外，还有铁钴钒合金和含锌、镍的铁氧体。磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围内，但功率可达十万W，声强可达几千W/cm2，能耐较高的温度。9.2.2超声波接收器一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。9.3超声波换能器及耦合技术9.3.1超声探头（1）单晶直探头采用PZT压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损，防止杂乱反射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用钨粉、环氧树脂等浇注。必须用电子开关来转换这两种不同的状态。图3-1超生探头结构示意图a)单晶直探头b)双晶直探头c）斜探头

7、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11—耦合剂（2）双晶直探头两个单晶探头组合而成，一晶片接收超声波，一晶片发射超声波，两晶片之间用吸声性能强，绝缘性能好的薄片加以隔开，使超声波的发射和接收互不干扰，延迟块可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头结构复杂些，但检测精度比单晶直探头高，控制电路较单晶直探头简单。图9-6超生探头结构示意图单晶直探头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（3）斜探头压电晶片粘贴在与底面成一定角

8、度的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。图9-6超生探头结构示意图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9—有机玻璃斜楔块10—试件11—耦合剂（5）箔式探头，用聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探