超聲波傳感器

本章主要學習超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測技術中的一些應用，也涉及無損探傷的設備及方法。10/11/20231概述：聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協調，甚至導致心臟停止跳動。10/11/202322.可聞聲波(20～20000HZ）

美妙的音樂可使人陶醉。10/11/202333.超聲波

大于20000HZ蝙蝠能發出和聽見超聲波。10/11/20234蝙蝠依靠超聲波捕食10/11/20235超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點。

超聲波霧化器

超聲波加濕器10/11/20236壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。

超聲波塑料焊接機10/11/20237超聲波金絲焊接機10/11/20238超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質的分界面時，能產生明顯的反射和折射現象，這一現象類似于光波。便攜式超聲波探魚器10/11/20239超聲波在醫學檢查中的應用胎兒的

B超影像10/11/202310超聲波用于高效清洗當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產生一定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經研究證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這種現象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、機械、玻璃、醫療儀器等行業。10/11/202311超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽市醫用儀具廠、北京德泰隆科技發展有限責任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物10/11/202312第一節超聲波物理基礎

頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產生明顯的反射和折射現象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。10/11/202313超聲波的波型分類超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

10/11/202314縱波10/11/202315橫波

10/11/202316表面波10/11/202317

第二節超聲波換能器及耦合技術

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，在檢測技術中主要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。10/11/202318各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測設備有限公司資料）常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質）外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護膜接插件10/11/202319接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端10/11/202320接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30

、45

等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質（試件）接觸時，超聲波將產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產生多次反射，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料接插件10/11/202321各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz10/11/202322接觸法雙晶直探頭

將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內，其中一片發射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結構雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。發射晶片接收晶片10/11/202323各種雙晶直探頭焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

10/11/202324接觸法雙晶斜探頭（續）10/11/202325水浸探頭

（可用自來水作為耦合劑）選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點聚焦或線聚焦。10/11/202326聚焦探頭由于超聲波的波長很短（毫米數量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發出聚焦的超聲波；也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。

10/11/202327聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭10/11/202328超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發射出持續時間很短的超聲振動波。當超聲波經被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。10/11/202329壓電陶瓷的主要性能指標

1)介電常數：1000~60002)壓電靈敏度D33

：300~600pC/N3)機械品質因素Q：100~20004)居里溫度：300~400

C5）靜電容：1000~100000pF（與面積有關）

6）頻率范圍：用于超聲清洗：30~100KHz

用于探傷儀及流量計：2.5~5MHz

用于霧化器：1~2MHz10/11/202330耦合劑

超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。在工業中，經常使用一種稱為耦合劑的液體物質，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。

10/11/202331空氣超聲探頭

a）

超聲發射器

b）超聲接收器

1—外殼2—金屬絲網罩3—錐形共振盤4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束

10/11/202332空氣超聲探頭（續）

10/11/202333空氣超聲探頭外形10/11/202334空氣超聲探頭外形（續）10/11/202335空氣傳導超聲波電脈沖發生器10/11/202336第三節超聲波傳感器的應用

當超聲發射器與接收器分別置于被測物兩側時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。超聲發射器與接收器置于同側的屬于反射型，反射型可用于接近開關、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。

10/11/202337超聲波傳感器應用舉例

10/11/202338超聲波傳感器應用舉例（續）

10/11/202339超聲波傳感器應用舉例（續）質量檢查緊固件的安裝錯誤檢測10/11/202340疊放高度測量超聲波傳感器應用舉例（續）10/11/202341超聲波傳感器應用舉例（續）物件放置錯誤檢測10/11/202342超聲波傳感器應用舉例（續）透明塑料張力控制10/11/202343機械手定位超聲波傳感器應用舉例（續）10/11/202344紙卷直徑檢測超聲波傳感器

應用舉例（續）10/11/202345平整度測量超聲波傳感器應用舉例（續）10/11/202346超長距離檢測超聲波傳感器

應用舉例（續）10/11/202347流水線計數超聲波傳感器

應用舉例（續）10/11/202348一、超聲波流量計

F1發射的超聲波先到達

T110/11/202349測量流量原理分類

時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差

t，可得到流體的平均速度及流量。10/11/202350F1發射的超聲波到達

F2的時間較短10/11/202351

頻率差法測量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發射器與接收器用。首先由F1發射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被F2接收，此信號經放大后再次觸發F1的驅動電路，使F1發射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流發射頻率f1與逆流發射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。F2F110/11/202352

發射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側10/11/202353同側式超聲波流量計的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）10/11/202354超聲波流量計現場使用10/11/202355超聲波多普勒測量車速10/11/202356多普勒效應前進方向的頻率升高

如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現象叫做多普勒效應。測出

f就可得到運動速度。10/11/202357超聲波多普勒測量風速風

風引起超聲波的頻率變大或變小10/11/202358超聲波測距空氣超聲探頭發射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經歷的路程，除以2就得到距離。

10/11/202359超聲波測厚雙晶直探頭中的壓電晶片發射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數c，就是超聲脈沖在被測件中所經歷的來回距離，再除以2，就得到厚度

：10/11/202360手持式超聲波測厚儀10/11/202361某超聲波測厚儀指標

（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）顯示方法∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關機時間：90秒

電源：二節七號（AAA）電池，可連續工作不少于72小時

使用溫度：-10°C~40°C

存儲溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）10/11/202362超聲波測厚石料測厚10/11/202363超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚10/11/202364雙晶超聲波測厚探頭10/11/202365雙晶超聲波測厚探頭（續）10/11/202366超聲波測量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發射器和接收器，根據超聲波的往返時間，就可