開封大學(xué)PAGEPAGE6項目十一新型傳感器（二）課題：超聲波傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：2課次編號：20教材分析難點：無損探傷重點：超聲波傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解超聲波的基礎(chǔ)知識；2、掌握縱波探傷的簡單計算；4、了解無損探傷的原理。采用教學(xué)方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：各種超聲波傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示：做以下的實驗：將超聲波換能器浸入透明的杯子中，可以看到水受到強烈的振動，形成噴泉和水霧。結(jié)論：超聲波的方向性強，能量集中。一、超聲波物理基礎(chǔ)聲波是一種機械波。當它的振動頻率在20Hz～20kHz的范圍內(nèi)時，可為人耳所感覺，稱為可聞聲波。低于20Hz的機械振動人耳不可聞，稱為次聲波，但許多動物卻能感受到。比如地震發(fā)生前的次聲波就會引起許多動物的異常反應(yīng)。頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。1.超聲波的特點超聲波的指向性好，不易發(fā)散，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，在穿透幾米厚的鋼板后，能量損失不大。超聲波在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好，與光波的反射、折射特性就越接近。2.聲速與指向性表10-1常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0℃）材料密度ρ聲阻抗z縱波聲速cL橫波聲速cS/103kg·m-1/10MPa·s-1/km·s-1/km·s-1鋼7.8465.93.23鋁2.7176.33.1銅8.9424.72.1有機玻璃1.183.22.71.2甘油1.262.41.9水（20℃）1.01.481.48油0.91.281.4空氣0.00120.00040.343.聲波的傳播方式（1）縱波質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致，這種波稱為縱波，又稱壓縮波。（2）橫波質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相垂直，這種波稱為橫波，它只能在固體中傳播。（3）表面波質(zhì)點在固體表面的平衡位置上下振動，使振動波沿固體的表面向前傳播，這種波稱為表面波。二、超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波換能器有時又稱超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等，常用超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10-3所示。圖10-3超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭1－接插件2－外殼3－阻尼吸收塊4－引線5－壓電晶體6－保護膜7－隔離層8－延遲塊9－有機玻璃斜楔塊10－耦合劑11－試件一、以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭（1）單晶直探頭用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖10-3a所示。壓電晶片PZT壓電陶瓷材料（在第六章介紹過）制作。（2）雙晶直探頭其結(jié)構(gòu)如圖10-3b所示。它是由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)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。（3）斜探頭有時為了使超聲波能傾斜入射到被測介質(zhì)中，可選用斜探頭，如圖10-3c所示。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30o、45o等）的有機玻璃斜楔塊上。二、以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。空氣傳導(dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達幾米至幾十米。為獲得較高靈敏度，并避開環(huán)境噪聲干擾，空氣超聲探頭選用40kHz的工作頻率。圖10-4空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)a）超聲發(fā)射器b）超聲接收器1－外殼2－金屬絲網(wǎng)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3.耦合劑在圖10-3中，無論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接將其放在被測介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動，以防磨損及雜亂反射波造成的干擾和衰減。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(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿“接觸層”，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。分析各種場合，使用不同的耦合劑。8）大面積鋼板探傷時，耦合劑應(yīng)選______為宜；機床床身探傷時，耦合劑應(yīng)選______為宜；給人體做B超時，耦合劑應(yīng)選______。A．自來水B．機油C．液體石蠟D．化學(xué)漿糊三、超聲波傳感器的應(yīng)用1．超聲波測厚圖10-7所示為便攜式超聲測厚儀示意圖，它可用于測量鋼及其他金屬、有機玻璃、硬塑料等材料的厚度。圖10-7超聲波測厚a）超聲波測厚原理b）超聲波測厚儀的使用1－雙晶直探頭2－引線電纜3－入射波4－反射波5－試件6－測厚顯示器設(shè)定鍵從圖10-7a可以看到，雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲脈沖進入被測試件，在到達試件底面時，被反射回來，并被右邊的壓電晶片所接收。這樣只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t（扣除經(jīng)兩次延遲的時間），再乘上被測體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，從而可以求出厚度δ，即（10-1）2．超聲波測量液位和物位超聲波液位計原理如圖10-8所示，在液面上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器。根據(jù)超聲波的往返時間就可以測出液體的液面。圖10-8超聲波液位計原理圖1－液面2－直管3－空氣超聲探頭4－反射小板5－電子開關(guān)為了防止液面晃動影響反射波的接收，可用直管將超聲傳播路徑限定在某一空間內(nèi)。由于空氣中的聲速隨溫度改變會造成溫漂，所以在傳送路徑中還設(shè)置了一個反射性良好的小板作標準參照物，以便計算修正。上述方法除了可以測量液位外，也可以測量粉體和粒狀體的物位3.超聲探傷圖10-10A型超聲波探傷儀外形a）臺式A型探傷儀b）便攜式A型探傷儀1－電纜插頭座2－工作方式選擇3－衰減細調(diào)4－衰減粗調(diào)5－發(fā)射波T6－第一次底反射波B17－第二次底反射波B28－第五次底反射波B59－掃描時間調(diào)節(jié)10－掃描時間微調(diào)11－脈沖X軸位置設(shè)定12－報警揚聲器13－直探頭（1）直探頭探傷直探頭探傷示意圖如圖10-11所示。將直探頭涂抹耦合劑后，在工件上來回移動。探頭發(fā)出5MHz左右的超聲波，以一定速度向工件內(nèi)部傳播。如工件中沒有缺陷，則超聲波傳到工件底部便產(chǎn)生反射，反射波到達表面后再次向下反射，周而復(fù)始，在熒光屏上出現(xiàn)發(fā)射波T和一系列底脈沖B1、B2、B3、…（見圖10-10的屏幕顯示）。B波的高度與材料對超聲波的衰減有關(guān)，因此可以用來判斷試件的材質(zhì)、內(nèi)部晶體粗細等微觀缺陷。圖10-11直探頭探傷示意圖a）無缺陷時超聲波的反射及顯示波形b）有缺陷時超聲波的反射及顯示波形如工件中有缺陷，一部分聲脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一小部分繼續(xù)傳播到工件底面產(chǎn)生反射，在熒光屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖10-11b所示。熒光屏上的水平亮線為掃描線（時間基線），其長度與工件的厚度成正比（可調(diào)整），通過判斷缺陷脈沖在熒光屏上的位置（div數(shù)乘以掃描時間）可確定缺陷在工件中的深度。通過缺陷脈沖幅度的高低差別可以判斷缺陷的大小。如缺陷面積大，則缺陷脈沖F的幅度就高，而B脈沖的幅度就低。通過移動探頭還可確定缺陷大致長度和走向。例題：圖10-11b中，顯示器的X軸為10μs/div（格），現(xiàn)測得B波與T波的距離為10格，F(xiàn)波與T波的距離為3.5格。求：1）tδ及tF；2）鋼板的厚度δ以及缺陷與表面的距離xF。解：1）tδ=(10μs/div)×10div=100μs=0.1ms，tF=(10μs/div)×3.5div=35μs=0.035ms2）查表10-1得到縱波在鋼板中的聲速cL=5.9103m/s，則：δ=tδcL/2=(0.110-3)×(5.9103)m/2≈0.3mxF=tδcF/2=(0.035×10-3)×(5.9103)m/2≈0.1m（2）斜探頭探傷斜探頭探傷示意圖如圖10-12所示。在直探頭探傷時，當超聲波束中心線與缺陷截面垂直時，探測靈敏度最高。但如遇到圖10-12所示方向的缺陷時，就不能真實反映缺陷的大小，甚至有可能漏檢。這時若用斜探頭探測，可提高探傷效率。圖10-12斜探頭探傷示意圖a）橫波在試件中的傳播b）缺陷回波1－試件2－斜探頭3－斜楔塊4－斜向缺陷（焊渣或氣孔）5－V形焊縫中的焊料如果整塊試件均沒有大的缺陷，則橫波在鋼板的上下表面之間逐次反射，直至到達試件的端面為止。所以只要調(diào)節(jié)顯示器的X軸掃描時間（ms/div），就可以很快地將整個試件粗檢一遍。在有懷疑的位置，