1、第5章 超声波传感器,5.1 超声检测的物理基础 5.2 超声波探头 5.3 超声波检测技术的应用,5.1 超声检测的物理基础,振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在202104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于20 Hz的机械波，称为次声波；高于2104 Hz的机械波，称为超声波，如图5-1所示。 5.1.1 波的反射和折射 当超声波由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，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。 由物理学知，当波在界面上产生反射时，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时，波速相等，入射角即等
2、于反射角，如图5-2所示。当波在界面外产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即,下一页,返回,5.1 超声检测的物理基础,(5-1) 5.1.2 超声波的波型及其转换 当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。 质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。 质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传播。 当声波以某一角度入射到第二介质(固体)
3、的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图5-3所示。在一定条件下，还能产生表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律，即,上一页,下一页,返回,5.1 超声检测的物理基础,(5-2) 式中 入射角；1、 2纵波与横波的反射角；、 纵波与横波的折射角；cL、cL1、cL2、入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度；、 反射介质与折射介质内的横波速度。 如果介质为液体或气体，则仅有纵波。 5.1.3 声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。,上一页,下一页,返回,5.1 超声检测的物理基础,在平面
4、波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下(5-3)(5-4) 式中 p0、I0距声源x=0处的声压和声强； e自然对数的底；衰减系数，单位为Np/cm(奈培/厘米)。,上一页,返回,5.2 超声波探头,超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。 超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为最常用。图5-4所示为压电式探头结构图，其核心部分为压电晶片，利用压电效应实现声、电转换。,返回,5.3 超声波检测技术的应用,5.3.1 超声波测厚度 超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法
5、、脉冲回波法等。图5-5所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理。 超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路，使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间标记脉冲信号，同时加到该垂直偏转板上。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔t。被测物体的厚度h为 h=ct/2 (5-5) 式中 c超声波的传播速度。,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,我国20世纪60年代初期自行设计了CCH-J-1型表头式超声波测厚仪，近期又采用集成电路制成数字式超声波测厚仪，其体积
6、小到可以握在手中，重量不到1kg，精度可达0.01mm。 5.3.2 超声波测液位 在化工、石油和水电等部门，超声波被广泛用于油位、水位等的液位测量。图5-6所示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介式、单探头气介式、单探头固介式和双探头液介式等数种。,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,在生产实践中，有时只需要知道液面是否升到或降到某个或几个固定高度，则可采用图5-7所示的超声波定点式液
7、位计，实现定点报警或液面控制。图5-7(a)、(b)为连续波阻抗式液位计的示意图。由于气体和液体的声阻抗差别很大，当探头发射面分别与气体或液体接触时，发射电路中通过的电流也就明显不同。因此利用一个处于谐振状态的超声波探头，就能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体。图5-7(c)、(d)为连续波透射式液位计示意图。图中相对安装的两个探头，一个发射，另一个接收。当发射探头发生频率较高的超声波时，只有在两个探头之间有液体时，接收探头才能接收到透射波。由此可判断出液面是否达到探头的高度。,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,5.3.3 超声波测流量 利用超声波测流量对被测流体并不产生
8、附加阻力，测量结果不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的，从而可以测量流量的工作原理如图5-8所示。图中v为流体的平均流速，为超声波传播方向与流体流动方向的夹角，A、B为两个超声波探头，L为其间隔距离。 1. 时差法测流量 采用测量两接头超声波传播时间和相位上的变化等方法，可求得流体的流速和流量。图5-8所示为超声波测流体流量原理图。 当A为发射探头、B为接收探头时，超声波传播速度为c+vcos，于是顺流传播时间t1为,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,(5-6) 式中 c超声波在静止流体中的速度。 当B为发射探头、A为接收探头时，超声波传播
9、速度为c-vcos，于是逆流传播时间t2为 (5-7) 时差 (5-8) 由于cv，于是式(5-8)可近似为,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,(5-9) 流体的平均流速为(5-10) 该测量方法精度取决于t的测量精度，同时应注意c并不是常数，而是温度的函数。 2. 相位差法测流量 当A为发射探头、B为接收探头时，接收信号相对发射信号的相位角1(当1很小时)为(5-11) 式中 超声波的角频率。,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,当B为发射探头、A为接收探头时，接收信号相对发射超声波的相位角2为(5-12) 相位差(5-13) 同样由于cv，于是式(5-13
10、)可近似为(5-14) 流体的平均流速为(5-15),上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,该法以测相位角代替上一种方法的精确测量时间，因而可以进一步提高测量精度。 3. 频率差法测流量 当A为发射探头、B为接收探头时，超声波的重复频率f1为(5-16) 当B为发射探头、A为接收探头时，超声波的重复频率f2为(5-17) 频率差(5-18),上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,流体的平均流速为(5-19) 当管道结构尺寸和探头安装位置一定时，式(5-19)中L/2cos为常数，v直接与f有关，而与c值无关。可见该法将能获得更高的测量精度。 超声波检测的应用十分广泛
11、。除上述应用外，还广泛用于无损检测。由换能器构成的声纳，可探测海洋舰船、礁石和鱼群等。,上一页,返回,图5-1 超声波的频率界限图,返回,图5-2 声波的反射和折射,返回,图5-3 波型转换图,入射波；,1反射纵波；,2折射纵波；S1反射横波；S2折射横波,返回,图5-4 压电式超声探头结构图,1压电片；2保护膜；3吸收块；4接线；5导线螺杆；6绝缘柱； 7接触座；8接线片；9压电片座,返回,图5-5 声波测厚工作原理图,返回,图5-6 脉冲回波式超声液位测量,(a) 单探头液介式； (b)单探头气介式； (c)单探头固介式； (d)双探头液介式,返回,图5-7 超声波定点式液位计,返回,图5-8 超声波测流量的原理图,返回,
