1、第五章声学量传感器 5 1技术基础定义 声学量传感器是能感受声学量并转换成可用输出信号的传感器 表5 1声学量传感器类型表 一 声波的基本性质1 声波的类型 声波 20Hz 20KHz之间的机械波能为人耳所闻 称为声波 次声波 低于20Hz的机械波称为次声波 超声波 高于20KHz 2 10 的机械波称为超声波 2 波型 纵波 质点的振动方向与波的传播方向一致 横波 质点的振动方向垂直与波的传播方向 表面波 质点的振动介于纵波和横波之间 其振动的轨迹是椭圆形 长轴垂直于传播方向 短轴平行于传播方向 3 传播速度 气体和液体介质式中K 介质的弹性模量 介质的密度 固体介质E 固体介质的杨氏模量
2、固体介质的波松比G 固体介质的剪切弹性模量 介质的密度 二 声波的特性参数1 声压及声阻抗 声压 由于声波作用而产生的压强叫 声压 式中 为空气密度 V为声速 U为空气质点的振动速度 单位 牛顿 米2 又称帕 声阻抗Z V式中 为空气密度 V为声速 单位 当 的单位是g cm3时 声阻抗的单位是瑞利 2 声功率及声强 声功率声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能 记为W 单位为瓦 W 或微瓦 W 连续超声波 声功率一般在几毫瓦 几十千瓦范围 脉冲超声波 声功率为几分之一毫瓦 几兆瓦 声强在单位时间内 在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能 记为I I W S式中 S为声能所通过的面积
3、W为声功率 3 声波的反射和折射当超声波从一种介质传播到另一种介质时 在两介质的分界面上将发生反射和折射 并满足波的反射定律和折射定律 4 声波的衰减超声波在一种介质中传播时 随着距离的增加 能量逐渐衰减 5 2超声波传感器 5 2 1超声检测技术 一 超声波的物理效应1 空化效应空化现象 2 机械效应超声波在传播的过程中 会引起介质质点交替地压缩和扩张 构成了压力的变化 这种压力变化将引起机械效应 X Asin t 二 超声技术的应用 1 超声加工处理技术 是超声波的功率应用 利用某种超声效应 着重一些描述声场强弱的物理量 2 超声检测技术 应用声速测量 声衰减 声阻抗 5 2 2超声波传感
4、器的原理一 压电型超声波传感器 式中 E为压电片沿x轴方向的弹性模量 为压电片的密度 例石英晶体 若选择石英晶片的厚度为1mm 则其自然振动频率为2 87MHz 三 超声波传感器特征 1 超声波频率C f 超声波频率在很大程度上决定了超声波对缺陷的探测能力频率越高 其 波长短 声束窄 扩张角小 能量集中 因而发现小缺陷能力强 分辨率高 缺陷定位准确 散射大 衰减显著 穿透力弱 同时回波形状复杂 使得信噪比降低 因此在检测粗糙面时 应选择低频率 反射性强 如果波不是近于垂直地射到裂面上 在检测方向上就不能产生足够大的回波 频率越高这种现象越显著 扫描空间小 仅能发现声束轴线附近的缺陷 脉冲接触法
5、常用的频率范围频率范围应用25 100KHz混凝土 岩石等粗结构材料200K 1MHz灰口铁 可锻铸铁等相当粗的材料400K 5M钢 吕 黄铜等细晶粒材料200K 2 25M塑料2 25 10MHz管 型材等有色金属1 10M维修检测 特别是疲劳裂纹 2 型号标识 基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征其中 晶片材料 用缩写符号P锆钛酸铅B钛酸钡T钛酸铅探头种类 Z直探头K斜探头特征 探头的几何特征 5 2 3超声波在检测中的应用一 超声波物位计 传感器举例 德国E H公司的FMV232 AF21 参数 测量范围 0 7m电源 220V50HzAC输出 4 20mADC连接 四线制 二 无损检测1 透射法 2 反射法
