第5章 超聲波傳感器,5.1 超聲檢測的物理基礎 5.2 超聲波探頭 5.3 超聲波檢測技術的應用,5.1 超聲檢測的物理基礎,振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在202104 Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于20 Hz的機械波，稱為次聲波；高于2104 Hz的機械波，稱為超聲波，如圖5-1所示。 5.1.1 波的反射和折射 當超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。 由物理學知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當入射波和反射波的波型相同時，波速相等，入射角即等于反射角，如圖5-2所示。當波在界面外產(chǎn)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即,下一頁,返回,5.1 超聲檢測的物理基礎,(5-1) 5.1.2 超聲波的波型及其轉換 當聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。 質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。 質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?當聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)(固體)的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射，如圖5-3所示。在一定條件下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型均符合幾何光學中的反射定律，即,上一頁,下一頁,返回,5.1 超聲檢測的物理基礎,(5-2) 式中 入射角； 1、 2縱波與橫波的反射角； 、 縱波與橫波的折射角； cL、cL1、cL2、入射介質(zhì)、反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的縱波速度； 、 反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度。 如果介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波。 5.1.3 聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射、吸收等因素有關。,上一頁,下一頁,返回,5.1 超聲檢測的物理基礎,在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強I的衰減規(guī)律如下 (5-3) (5-4) 式中 p0、I0距聲源x=0處的聲壓和聲強； e自然對數(shù)的底； 衰減系數(shù)，單位為Np/cm(奈培/厘米)。,上一頁,返回,5.2 超聲波探頭,超聲波探頭是實現(xiàn)聲、電轉換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉換成相應的電信號。 超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。圖5-4所示為壓電式探頭結構圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電效應實現(xiàn)聲、電轉換。,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,5.3.1 超聲波測厚度 超聲波檢測厚度的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等。圖5-5所示為脈沖回波法檢測厚度的工作原理。 超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器控制發(fā)射電路，使探頭發(fā)出的超聲波到達被測物體底面反射回來，該脈沖信號又被探頭接收，經(jīng)放大器放大加到示波器垂直偏轉板上。標記發(fā)生器輸出時間標記脈沖信號，同時加到該垂直偏轉板上。而掃描電壓則加在水平偏轉板上。因此，在示波器上可直接讀出發(fā)射與接收超聲波之間的時間間隔t。被測物體的厚度h為 h=ct/2 (5-5) 式中 c超聲波的傳播速度。,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,我國20世紀60年代初期自行設計了CCH-J-1型表頭式超聲波測厚儀，近期又采用集成電路制成數(shù)字式超聲波測厚儀，其體積小到可以握在手中，重量不到1kg，精度可達0.01mm。 5.3.2 超聲波測液位 在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位、水位等的液位測量。圖5-6所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲脈沖通過介質(zhì)到達液面，經(jīng)液面反射后又被探頭接收。測量發(fā)射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質(zhì)中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。根據(jù)傳聲方式和使用探頭數(shù)量的不同，可以分為單探頭液介式、單探頭氣介式、單探頭固介式和雙探頭液介式等數(shù)種。,上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,在生產(chǎn)實踐中，有時只需要知道液面是否升到或降到某個或幾個固定高度，則可采用圖5-7所示的超聲波定點式液位計，實現(xiàn)定點報警或液面控制。圖5-7(a)、(b)為連續(xù)波阻抗式液位計的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當探頭發(fā)射面分別與氣體或液體接觸時，發(fā)射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個處于諧振狀態(tài)的超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖5-7(c)、(d)為連續(xù)波透射式液位計示意圖。圖中相對安裝的兩個探頭，一個發(fā)射，另一個接收。當發(fā)射探頭發(fā)生頻率較高的超聲波時，只有在兩個探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達到探頭的高度。,上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,5.3.3 超聲波測流量 利用超聲波測流量對被測流體并不產(chǎn)生附加阻力，測量結果不受流體物理和化學性質(zhì)的影響。超聲波在靜止和流動流體中的傳播速度是不同的，從而可以測量流量的工作原理如圖5-8所示。圖中v為流體的平均流速，為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角，A、B為兩個超聲波探頭，L為其間隔距離。 1. 時差法測流量 采用測量兩接頭超聲波傳播時間和相位上的變化等方法，可求得流體的流速和流量。圖5-8所示為超聲波測流體流量原理圖。 當A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，超聲波傳播速度為c+vcos，于是順流傳播時間t1為,上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,(5-6) 式中 c超聲波在靜止流體中的速度。 當B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，超聲波傳播速度為c-vcos，于是逆流傳播時間t2為 (5-7) 時差 (5-8) 由于cv，于是式(5-8)可近似為,上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,(5-9) 流體的平均流速為 (5-10) 該測量方法精度取決于t的測量精度，同時應注意c并不是常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。 2. 相位差法測流量 當A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，接收信號相對發(fā)射信號的相位角1(當1很小時)為 (5-11) 式中 超聲波的角頻率。,上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,當B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，接收信號相對發(fā)射超聲波的相位角2為 (5-12) 相位差 (5-13) 同樣由于cv，于是式(5-13)可近似為 (5-14) 流體的平均流速為 (5-15),上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,該法以測相位角代替上一種方法的精確測量時間，因而可以進一步提高測量精度。 3. 頻率差法測流量 當A為發(fā)射探頭、B為接收探頭時，超聲波的重復頻率f1為 (5-16) 當B為發(fā)射探頭、A為接收探頭時，超聲波的重復頻率f2為 (5-17) 頻率差 (5-18),上一頁,下一頁,返回,5.3 超聲波檢測技術的應用,流體的平均流速為 (5-19) 當管道結構尺寸和探頭安裝位置一定時，式(5-19)中L/2cos為常數(shù)，v直接與f有關，而與c值無關。可見該法將能獲得更高的測量精度。 超聲波檢測的應用十分廣泛。除上述應用外，還廣泛用于無損檢測。由換能器構成的聲納，可探測海洋艦船、礁石和魚群等。,上一頁,返回,圖5-1 超聲波的頻率界限圖,返回,圖5-2 聲波的反射和折射,返回,圖5-3 波型轉換圖,入射波；,1反射縱波；,2折射縱波；S1反射橫波；S2折射橫波,返回,圖5-4 壓電式超聲探頭結構圖,1壓電