第8章 超声波传感器主要学习超声波的物理特 性，着重了解超声波在检测技 术中的一些应用，也涉及无损 探伤的设备及方法。*1目 录n概述n一、超声波物理基础n二、超声波换能器及耦合技术 n三、超声波传感器的应用n四、超声波无损探伤 Date2概述： 声波的分类1.次声波次声波是频率低于20Hz的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。Date32.可听声波(20HZ-20KHZ)美妙的音乐可使人陶醉。Date43.超声波20KHZ蝙蝠 能发出和 听见超声 波。Date5蝙蝠依靠超声波捕食Date6超声波与可听声波不 同，它可以被聚焦，具有 能量集中的特点。超声波雾化器 超声波加湿器Date7压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下 ，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。 超声波塑料 焊接机Date8超声波金丝 焊接机Date9超声波被聚焦后，具有较好的方向性，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，这一现象类似于光波。便携式超声波 探鱼器Date10工作原理： 传感器探头发射超声波信号，遇到水底或 鱼群会反射回信号，然后检测反射信号，处理数据 ，得出水底深度、鱼所在水层。Date11岸钓中的横扫描Date12探鱼器在冰钓中的使用Date13探鱼器在船钓中的使用Date14Date15超声波在医学检查中的应用胎儿的B超影像Date16n三维B超医学影像工作站n三维超声医学影像工作站n是由三维超声图像处理软件、计算机、高速图像采 集卡、彩色打印机等组成，在普通B超扫描成像的基 础上，形成三维影像并可进行影像存储、回放及形 成诊断报告等功能的装置。n三维超声成像能单独显示感兴趣结构的立体形态和 内部结构，它可使医师获得更多的组织信息，以作 出更全面、更准确的分析。具有很高的临床和研究 价值。n三维超声工作站能打印精美的三维图像报告，特别 是胎儿的图像，是孩子的第一张照片，有极高的纪 念意义，可以是医院经济效益创收的一种手段。Date17n三维超声医学影像工作站特点：n1.只需一根视频线进行连接，不影响原有B超的任何功能。n2. 三维成像速度快，三维影像扫描时间为45秒，成像时间小 于1秒。n3. 图像清晰，能清晰显示胎儿的体态、五官、脸形、四肢等， 便于诊断胎儿畸形。n4.可在三维图像中提取任一剖面、方位、角度进行分析。n5.可方便地去除多余组织图像，突出感兴趣区。n6.可对图像进行放大、缩小、图片反转、角度变换等处。n7. 图像有多达4种颜色变换以供选择。n8.超声专业术语数据库，方便行成诊断报告。n9.可进行资料存档，供您随时调用、分析。n10. 图文一体化的报告。Date18Date19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，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“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波来 达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业 。Date20超声波清洗原理及清洗器超声换能器气泡波浪清洗物Date21一、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。Date22超声波的波型分类超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 横波是指震动方向与传播方向相垂直的波横波是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。可以这样理解，如果我们手拿平铺在地上的绳子的一端，并上下抖动(振动)绳子，这时形成的波，呈水平方向向前传播。振动方向垂直于地面，而且传播方向水平向前，这就是横波。纵波是指震动方向与传播方向相同的波 纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是一致的，声波是纵波。Date23纵波Date24横波 Date25地 震n地震：是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。n地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地面震动（即地震） 的主要原因 n据统计，地球上每年约发生500多万次地震，即每天要发生上万次地震。n其中绝大多数太小或太远以至于人们感觉不到；n真正能对人类造成严重危害的地震大约有一二十次；n能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。 Date26Date27Date28Date29Date30Date31地震：动物的先兆n是否有科学道理？你信吗？Date32李善邦研制的中国第一台现代地震仪器，1939年n张衡地动仪n复原模型：50年 度n2002-2008Date33n古今中外地震死亡人口之最：u大约1201年7月，近东和地中海东部地区的所有城市都遭地震破坏，死人最多, 估算约达110万。u1556年1月23日发生在中国陕西华县的8.0级地震造成的死亡人数比前者确凿一些，广大灾民病死、饿死，数百里山乡断了人烟，估计死亡83万余 Date34n世界上第一次成功地预报并取得明显减灾实效的地 震：u1975年2月4日，海城地震（中国的地震工作者成功 地预报，被世界科技界称为“地震科学史上的奇迹”）n世界上最大的地震海啸：u1971年4月24日发生在日本琉球群岛中的石垣岛（ 估计巨大海浪的波峰高达84.7米，排山倒海的巨浪将 重量达850吨的整珊瑚礁抛出2.092公里以上。u这次海震所击起的海浪，据测它的行进速度为每小 时788.557公里 Date35n世界上有仪器记录的最大地震：u1960年5月22日19时11分，智利地震（8.9级，因计算方法不同，也有9.5级的说法）40 。n世界最典型的城市“直下型地震”：u1976年的中国唐山地震和1995年的日本阪神地震Date36表面波 所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电 场的现象。具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹 性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。由于这种声 波只在晶体表面传播，故称为声表面波。声表面波SAW（SurfaceAcousticWave）就是在压电基片材料表面产生和传播、 且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。 一个实心的物体遭受撞击时，可以测出两种波 ，一种是纵波，一种是表面波，而空心的物体 只能测到表面波。“纵波”是一种穿透波，可以 穿透物体，由表面的一边经过物体中心传导到 另一边。“表面波”如同它的名字一样，只能在 极浅的表面传递。但是，放置在月球上的月震 仪，经过长时间的记录，都没有记录到纵波， 全部都是表面波。根据这个现象，科学家非常 惊讶地发现：月球是空心的！ Date37二、超声波换能器及耦合技术 超声波换能器又称超声波探头。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。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。 Date38各种超声波探头常用频率范围：0.510MHz， 常见晶片直径：530mm接触式直探头（ 纵波垂直入射到 被检介质）外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。 保护膜接插件Date39接触式 直探头原理超声脉冲电压 输入端 接地端Date40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。底部耐磨材料接插件Date41各种接触式斜探头常用频率范围：15MHzDate42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。 发射晶片接收晶片Date43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 Date44接触法双晶斜探头（续）Date45水浸探头（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。Date46聚焦探头由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直 径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波； 也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也 可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 Date47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。Date48压电陶瓷的主要性能指标1) 介电常数 ：100060002) 压电灵敏度D33 ：300600pC/N3) 机械品质因素Q：10020004) 居里温度：300400 C5）静电容：1000 100000pF（与面积有关）6）频率范围：用于超声清洗：30100KHz用于探伤仪及流量计：2.55MHz用于雾化器：12MHzDate49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。 Date50空气超声探头 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 Date51空气超声探头（续） Date52空气超声探头外形Date53空气超声探头外形（续）Date54空气传导超声波电脉冲发生器Date55三、超声波传感器的应用 当超声发射器与接收器分别置于被测物 两侧时，这种类型称为透射型。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射型，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。 Date56超声波传感器应用举例 Date57超声波传感器应用举例（续） Date58超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测Date59叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）Date60超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测Date61超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制Date62机械手定位超声波传感器应用举例（续）Date63纸卷直径检测超声波传感器应用举例（续）Date64平整度测量超声波传感器应用举例（续）Date65超长距离检测超声波传感器 应用举例（续）Date66流水线计数超声波传感器 应用举例（续）Date67超声波流量计 F1发射的超声波先到达 T1Date68测量流量原理分