第9章超声波传感器及应用

2020/1/281第9章超声波传感器及应用2020/1/282引言超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。2020/1/283主要章节9.1超声波及其物理性质9.2超声波探头及耦合技术9.3超声波传感器的应用2020/1/2849.1超声波及其物理性质1．超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强9.1.1超声波的基本概念2020/1/285声波频率的界限划分2020/1/286声波的分类1.次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz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。2020/1/2872.可闻声波美妙的音乐可使人陶醉。2020/1/2883.超声波蝙蝠能发出和听见超声波。2020/1/289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。超声波雾化器超声波加湿器2020/1/2810声波的波型（1）纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的波。（2）横波—质点振动方向垂直于传播方向的波。（3）表面波—质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。2020/1/2811纵波2020/1/2812横波2020/1/2813表面波2020/1/28142.声速、波长与指向性（1）声速纵波、横波及表面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。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即Z=ρc2020/1/2815常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)声阻抗Z（103MPa·s-1）纵波声速cL（km/s）横波声速cs（km/s）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（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空气0.00130.00040.34—2020/1/2816（2）波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即λf=c2020/1/2817（3）指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线2020/1/2818指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为sinθ=1.22λ/D设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。2020/1/28193.超声波的反射和折射超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射，2020/1/2820波的反射和折射2020/1/2821（1）反射定律入射角的正弦与反射角'的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角等于反射角'。（2）折射定律入射角的正弦与折射角的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中介质的波速c2之比，即sin/sin=c1/c22020/1/28224.超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。2020/1/28239.2超声波探头及耦合技术为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到其介面经过反射后，再返回到接收探头，这就是超声波测距原理。2020/1/28249.2.1超声波探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式其结构不同，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、空气传导探头以及其他专用探头等，2020/1/2825各种超声波探头（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm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2020/1/2826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。2020/1/28271.单晶直探头用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头），压电晶片采用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。保护膜可以用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，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。2020/1/2828超声波探头结构示意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2020/1/2829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。2020/1/28302.双晶直探头由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。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，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。2020/1/2831各种双晶直探头焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45~702020/1/28323.斜探头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，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。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，折射角可通过计算求得。2020/1/2833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2020/1/2834各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz2020/1/2835接触法双晶斜探头（续）2020/1/28364.聚焦探头分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。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，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能。2020/1/28375.箔式探头利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得0.2mm直径的超细声束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。2020/1/28386.空气传导型探头超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，发射器的压电片上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可达几米至几十米。2020/1/2839空气传导型超声发生、接收器结构示意图1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶体片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束2020/1/2840空气超声探头（续）2020/1/2841空气超声探头外形2020/1/2842空气超声探头外形（续）2020/1/28439.2.2超声波探头耦合剂一般不能直接将其放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。2020/1/2844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。2020/1/28459.3超声波传感器的应用超声波测厚常用脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为δ=υt/21．超声波测厚2020/1/2846脉冲回波法测厚工作原理从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t。当然也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔t，从而做成厚度数字显示仪表。2020/1/28472.超声波物位传感器超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。2020/1/2848几种超声物位传感器的结构示意图2020/1/2849结论只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间，便可以求得待测的物位，超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1%，检测物位的范围为102～104m。2020/1/28503.超声波流量传感器测定原理是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多勒效应法等，但目前应用较广的主要是超