第七章超聲波傳感器

課題：超聲波傳感器的原理及應用課時安排：2課次編節(jié)：11

難點超聲波測厚和液位測量

教材分析

重點超聲波傳感器的應用

教學目的和要求1.了解超聲波的物理基礎;

2.掌握超聲波測厚和液位測量的計算;

3.了解無損探傷的原理。

教具：各種超聲波

采用教學方法和實施步驟講授、課堂互動、分析

傳感器

各

演示:

教

做以下的實驗：

學

拆開超聲波加濕器，取出壓電陶瓷換能器。將超聲波換能器浸入透明的杯子中,

環(huán)

可以看到水受到強烈的振動，形成噴泉和水霧。

節(jié)

和

內

容

結論：超聲波的方向性強，能量集中。

第一節(jié)超聲波物理基礎

一、聲波的本質和分類

聲波是一種機械波。

1.可聞聲波：振動頻率在20Hz?20kHz的范圍內，可為人耳所感覺

2.次聲波：振動頻率在20Hz以下人耳無法感知，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。

3.超聲波：振動頻率高于20kHz的機械振動波

超聲波的特點：指向性好，能量集中，穿透本領大，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(xiàn)象，這一-現(xiàn)象類似于光波。

超聲波的特性與頻率的關系：頻率越高，其聲場指向性就愈好，與光波的反射、

折散特性就越接近。

二、超聲波的傳播方式

超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

圖7-2縱波、橫波和表面波示意圖

a）縱波b）質點的運動過程c）橫波d）縱波在鋼材中的傳播e）表面波在鋼材表面的傳播

I一超聲波發(fā)生器2—鋼材3—耦合劑

（1）縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致，又稱壓縮波。

縱波能夠在固體、液體、氣體中傳播。

（2）橫波：質點的振動方向與波的傳播方向相垂直。

固體介質受到交變剪切應力作用時產生的剪切形變，所以又稱剪切波，它只能在

固體中傳播。

提問：人講話時產生的聲波屬于縱波還是橫波？

（3）表面波：固體的質點在固體表面的平衡位置附近作橢圓軌跡的振動，使振動

波只沿著固體的表面向前傳播，如圖7-2e所示。

提問：表面波可以繞半圓形的構件的表面?zhèn)鞑幔?/p>

三、聲速,波長與指向性

1.聲速

聲波的傳播速度取決于介質的彈性系數(shù)、介質的密度以及聲阻抗。幾種常用材料

的聲速與密度、聲阻抗的關系如表7-1所示。

表77幾沖常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關系（環(huán)境溫度為（）℃）

密度聲阻抗縱波聲速橫波聲速

材料

p/(103kg-ni)/(MPa-sm1)CL/(kms')cs/(kms')

鋼7.74605.93.2

銅8.94204.72.2

鋁2.71706.33.1

有機玻璃1.18322.71.20

甘油1.27241.9—

水(20℃)1.014.81.48—

機油0.912.81.4—

空氣0.00124X10-30.34—

提問：請將鋼與有機玻璃的密度、聲阻抗進行比較，說明哪種材料的聲速快?

2.波長

超聲波的波長2與頻率/的乘積恒等于聲速c,即

Af=c(7-1)

例如，將一束頻率為5MHz的超聲波（縱波）射入鋼板，查表7-1可知，縱波在

鋼中的聲速CL=5.9km/s,所以此時的波長2僅為1.18mm,如果是可聞聲波，其波長將

大數(shù)千倍。

提問：將一束頻率為5MHz的超聲波（縱波）射入鋼板，查表7-1可知，縱波在

鋼中的聲速ci.=5.9kn】/s,5MHz的超聲波的波長人為多少？（1.18mm）

是1kHz可聞聲波的波長的幾分之一？

3.指向性

超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度向外擴散。

提問：在聲束橫械面的中心軸線上，超聲波的最強？還是最弱？

提問：隨著擴散角度的增大，超聲波的聲強是減??？還是增強？

------------------

T,一J

圖7-3聲場指向性及指向角

1一超聲源2—軸線3—指向角4一等強度線

四、傾斜入射時的反射與折射

復習物理的光學的反射與折射：

當一束光線照到水面上時，有一部分光線會被水面所反射，而剩余的能量射入水

中，但前進的方向有所改變，稱為折射。

與此相似，當超聲波以一定的入射角從一種介質傳播到另一種介質的分界面上時，

一部分能量反射回原介質，稱為反射波；另一部分能量則透過分界面，在另一介質內

繼續(xù)傳播，稱為折射波或透射波。

超聲波也遵循類似光學的反射定律和折射定律。

圖7-4超聲波的反射與折射

Pc一入射波。一入射角件一反射波由一反射角PL折射波少一折射角

復習物理學的“全反射”：

如果入射聲波的入射角a足夠大時，將導致折射角0=90°,則折射聲波只能在介

質分界面?zhèn)鞑?，折射波形將轉換為表面波，這時的入射角稱為臨界角。如果入射聲波

的入射角a大于臨界角，將導致聲波的全反射。

五、垂直入射時的反射與透射

前面已經述及，當聲波從一種介質進入另一種介質時，在兩種不同介質的結合面

（界面）上，可產生反射聲波和透射聲波。

圖7-7超聲波探頭結構示意圖

a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭

1一接插件2—外殼3一阻尼吸收塊4一引線5—壓電晶體6—保護膜

7一隔離層8一延遲塊9一有機玻璃斜楔塊10一試件11一耦合劑

一、以固體為傳導介質的超聲探頭

1.單晶直探頭

分析發(fā)射和接收過程：

發(fā)射超聲波時，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使

晶片發(fā)射出一束頻率落在超聲范圍內、持續(xù)時間很短的超聲振動波。

超聲波到達被測物底部后，超聲波的絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經

過一短暫的傳播時間回到壓電晶片。利用壓電效應，晶片將機械振動波轉換成同頻率

的交變電荷和電壓。

由于衰減等原因，該電壓通常只有幾十亳伏，還要加以放大，才能在顯示器上顯

示出該脈沖的波形和幅值。

結論：超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時間上有先后之分，所

以單晶直探頭是處于分時工作狀態(tài)，必須用電子開關來切換這兩種不同的狀態(tài)，電子

開關切換電路框圖見第三節(jié)的圖7-1（）。

2.雙晶直探頭結構雖然復雜些，但檢測準確度比單晶直探頭高，且超聲信號的

反射和接收的控制電路較單晶宜探頭荷單。

3.使用斜探頭的目的：為了使超聲波能傾斜入射到被測介質中，可使壓電晶片粘

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，超聲波產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去。

二、以空氣為傳導介質的超聲探頭

發(fā)射器的壓電片上必須粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。

接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲、提高接收效率。

空氣傳導的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍：幾米至幾十米。

圖7-8空氣傳導型超聲發(fā)生、接收器結構

a）超聲發(fā)射器b）超聲接收器

1一外殼2—金屬絲網罩3一錐形共振盤4一壓電晶片5-引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束

三、耦合劑

用途：I.防磨損：2.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。

常用的耦合劑：水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。

分析各種場合，使用不同的耦合劑。

8）大面積鋼板探傷時，耦合劑應選為宜；機床床身探傷時，耦合劑應選為宜：給

人體做B超時，耦合劑應選______。

A.自來水B.機油C.液體石蠟D.化學漿糊

第三節(jié)超聲波傳感器的應用

根據(jù)超聲波的發(fā)射器與接收器的安裝方向的不同，可以分為遮斷型和反射型兩種

基本類型。

當超聲發(fā)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。當超聲發(fā)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、測液位或料位、金屬探傷以及測厚等。

圖7-9超聲應用的兩種基本類型

a）透射型b）反射型

1一超聲發(fā)射器2—被測物3—超聲接收器

從超聲波的波形來分：連續(xù)超聲波和脈沖波。

連續(xù)波：是指持續(xù)時間較長的超聲振動。

脈沖波：是持續(xù)時間只有幾十個重復脈沖的超聲振動。

為了提高分辨力，減少干擾，超聲波傳感器多采用脈沖超聲波。

一、超聲波流量計

流量的檢測在第二章（作業(yè)7）、第五章第四書中均有介紹。

比如熱絲式氣體流量計、風速儀，差壓節(jié)流式流量計等。

在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（B，口）、

（F2,T2）,其中（FI，T,）的超聲波是順流傳播的，而（Fz，T2）的超聲波是逆流傳

播的。根據(jù)這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探頭上超聲波傳

播的時間差加、相位差A0或頻率差Af等方法，可測量出流體的平均速度及流量。

圖7-10超聲波流量計原理圖

時間差的測量方法中，流量與聲速C有關，而聲速?般隨介質的溫度變化而變化,

因此將造成溫漂。

如果使用頻率差法測量流量，則可克服溫度的影響。

頻率差法測量流量的原理如圖7-11所示。Fl、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(fā)射器與接收器用。

圖7-11頻率差法流量測量

圖7-12頻率差法測流量

U）透射型原理圖b）反射型超聲流量計外形

首先由B發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被Fz接收，此

信號經放大后再次觸發(fā)Fi的驅動電路，使R發(fā)射第二個聲脈沖，以次類推。設在一個

時間間隔h內，B共發(fā)射了小個脈沖，脈沖的重復頻率力=小〃|。

在緊接下去的另一個相同的時間間隔t2（/2=n）內，與上述過程相反，由F2發(fā)射

超聲脈沖，而Fl作接收器。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為力。經推導，順流發(fā)射

頻率力與逆流發(fā)射頻率的頻率差V為

sin2a

(7-4)

D

式中a—超聲波束與流體的夾角；

y一流體的流速；

O一流體的橫截面積。

由上式可知，只與被測流速v成正比,而與聲速c無關，所以頻率法溫漂較小。

發(fā)射、接收探頭也可如圖7/1b所示的那樣，安裝在管道的同一側。

超聲流量計的最大特點是：

探頭可裝在被測管道的外壁，實現(xiàn)非接觸測量，即不干擾流場，又不受流場參數(shù)

的影響。其輸出與流量基本上成線性關系，準確度一般可達±1%。

其價格不隨管道直徑的增大而增加，因此特別適合大口徑管道和混有雜質或腐蝕

性液體的測量。

二、超聲波測厚

測量試件厚度的方法：電感測微器（分辨力可達0.5卜im）、電渦流測厚儀（只能測

0.1mm以內的金屬厚度）、數(shù)顯電容式游標卡尺（分辨力可達lOpm）。

超聲測厚儀特點：量程范圍大、無損、便攜等。

缺點：測量準確度與溫度及材料的材質有關。

在電路上只要在從發(fā)射到接收這段時間內使“數(shù)電路計數(shù)，便可達到數(shù)字顯示之

目的。

J=—c/（7-4）

1一液面2一直管3—空氣超聲探頭4一反射小板5—電子開關

例7-2超聲波液位計原理如上圖所示，從顯示屏上測得h=2ms,/hi=5.6ms。已知

水底與超聲探頭的間距為10m,反射小板與探頭的間距為0.34m,求液位及

解由于

h=h

所以有

hi=5~(5.6x0.34/2)m=0.95m

%

所以液位h為

h=h2~h\=(10-0.95)m=9.05m

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。

四、超聲防盜報警器

圖7-11為超聲報警電路。上圖為發(fā)射部分，下圖為接收部分的電原理框圖。它們

裝在同一塊線路板上。發(fā)射器發(fā)射出頻率/=40kHz左右的連續(xù)超聲波（空氣超聲探頭

選用40kHz工作頻率可獲得較高靈敏度，并可避開環(huán)境噪聲干擾）。如果有人進入信號

的有效區(qū)域，相對速度為從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發(fā)生

頻率偏移便

圖7-15超聲防盜報警器電原理框圖

多普勒效應：蘭超聲波源與傳播介質之間存在相對運動時，接收器接收到的頻率

與超聲波源發(fā)射的頻率將有所不同。產生的頻偏士V與相對速度的大小及方向有關。

舉例：當高速行駛的火車向你逼近和掠過時，所產生的變調聲就是多普勒效應引

起的。

接收器的電路原理：壓電喇叭收到兩個不同頻率所組成的差拍信號（40kHz以及

偏移的頻率40kHz土紂）。這些信號由40kHz選頻放大器放大，并經檢波器檢波后，由

低通濾波器濾去40kHz信號，而留下》?的多普勒信號。此信號經低頻放大器放大后，

由檢波器轉換為直流電壓，去控制報警揚聲器或指示器。

利用多普勒原理的好處：

可以排除墻壁、家具的影響（它們不會產生Af）,只對運動的物體起作用。由于振

動和氣流也會產生多普勒效應，故該防盜報警器多用于室內。

擴散思維：根據(jù)本裝置的原理，還能運用多普勒效應去測量運動物體的速度，液

體、氣體的流速，汽車防碰、防追尾等。

第四節(jié)無損探傷

一、無損探傷的基本概念

（-）材料的缺陷

因為金屬原子間的結構不是理想晶體，而是存在著大量微觀和宏觀的缺陷。

微觀缺陷：雜質原子、晶格錯位、晶界等。

（二）無損探傷方法及分類

無損探傷一般有三種含義：

①無損檢測NDT：

②無損檢查NDI；

③無損評價NDEo

無損檢測的方法：

對鐵磁材料，可采用磁粉檢測法；對導電材料，可用電渦流法；對非導電材料還

可以用熒光染色滲透法。以上幾種方法只能檢測材料表面及接近表面的缺陷。

采用放射線（X光、中子、6射線）照相檢測法可以檢測材料內部的缺陷，但對人

體有較大的危險，且設備好雜，不利于現(xiàn)場檢測。

除此之外，還有紅外、激光、聲發(fā)射、微波、計算機斷層成像技術（CT）探傷等。

超聲波檢測和探傷是目前應用十分廣泛的無損探傷手段。

特點：既可檢測材料表面的缺陷，乂可檢測內部幾米深的缺陷，這是X光探傷所

達不到的深度。

（三）超聲探傷分類

超聲探傷目前可分為A、B、C等幾種類型。

1.A型超聲探傷的特點

A型探傷的結果以二維坐標圖形式給出。它的橫坐標為時間軸，縱坐標為反射波

強度?？梢詮亩S坐標圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較難識別缺陷的性質、

類型。

2.B型超聲探傷的特點

B型超聲探傷的原理類似于醫(yī)學上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標，探

傷深度作為縱坐標，以屏幕的輝度（亮度）來反映反射波的強度。它可以繪制被測材

料的縱截面圖形。探頭的掃描可以是機械式的，更多的是用計算機來控制一組發(fā)射晶

片陣列（線陣）來完成與機械式移動探頭相似的掃描動作，但掃描速度更快，定位更

準確。

1bJ125“1&W足DU

SIEMENS

VdiOwiD':368mi

20助1泣

1，奶

未炸透側壁未熔合

?、水平標尺

3.C型超聲探傷的特點

類似于醫(yī)學上的CT掃描原理。計算機控制探頭中的三維晶片陣列（面陣），使探

頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內部缺陷的橫截面圖，這個橫截面

與掃描聲束相垂直。

橫截面圖上各點的反射波強對應的幾十種顏色，在計算機的高分辨率彩色顯示器

上顯示出來。經過復雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個斷面的切片圖像。

利用三維動畫原理，分析員可以在屏幕上控制該立體圖像，以任意角度來觀察缺陷的

大小和走向。

二、A型超聲探傷

A型超聲探傷采用超聲脈沖反射法。而脈沖反射法根據(jù)波形不同又可分為縱波探

傷、橫波探傷和表面波探傷等。A型超聲探傷儀外形如圖所示。

7-16A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

I一電纜插頭座2一工作方式選擇3一衰減細調4一衰減粗調5一發(fā)射波T

6一第一次底反射波Bi7一第二次底反射波B28一第五次底反射波BS9一掃描時間調節(jié)

10—掃描時間微調II一脈沖X軸移位12-