７.１超聲波傳感器的原理７.１.１超聲波的物理基礎(chǔ)振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在１６～２×１０４Ｈｚ，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于１６Ｈｚ的機械波，稱為次聲波；高于２×１０４Ｈｚ的機械波，稱為超聲波，如圖７－１所示。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，聲波的波形也有所不同。質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波，如圖７－２（ａ）所示。它能在固體、液體和氣體中傳播。為了測量在各種狀態(tài)下的物理量，檢測技術(shù)中多采用縱波。下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，如圖７－２（ｂ）所示。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?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體表面?zhèn)鞑?。超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性系數(shù)有關(guān)。同種介質(zhì)不同的波形，或同一波形不同的介質(zhì)，其傳播速度都不相同。超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生反射與折射現(xiàn)象，如圖７－３所示，圖中具有下列關(guān)系上一頁下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)超聲波進入介質(zhì)時的強度為Ｉ０，通過介質(zhì)后的強度為Ｉ，如圖７－４所示。則有對于固體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為上一頁下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理７.１.２超聲波的發(fā)生超聲波是由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的。超聲波發(fā)生器主要是電聲型，它將電磁能轉(zhuǎn)換成機械能。其結(jié)構(gòu)分為兩部分：一部分為產(chǎn)生高頻電流或電壓的電源；另一部分為換能器，它的作用是將電磁振蕩變換為機械振蕩而產(chǎn)生超聲波。１.壓電式超聲波發(fā)生器壓電式超聲波發(fā)生器是利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)制成的。常用的壓電元件為石英晶體、壓電陶瓷等。在壓電元件上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如圖７－５所示。上一頁下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理壓電材料的固有頻率與晶片厚度ｄ有關(guān)，即ｃ———波在壓電材料中的傳播速度（縱波）。根據(jù)共振原理，當外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時，產(chǎn)生共振，這時產(chǎn)生的超聲波最強。壓電式超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生幾萬赫茲到幾十兆赫茲的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強可達１０Ｗ／ｃｍ２。上一頁下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理２.磁致伸縮超聲波發(fā)生器鐵磁性物質(zhì)在交變的磁場中，順著磁場方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，叫作磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的大小，即伸長縮短的程度，不同的鐵磁物質(zhì)其情況不相同。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，它在一切磁場中都是縮短的。如果先加一定的直流磁場，再加以交流電時，它可工作在特性最好的區(qū)域。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化，即機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為０.１～０.４ｍｍ的鎳片疊制而成。片間絕緣以減少渦流損耗。其結(jié)構(gòu)有矩形、窗形等，如圖７－６所示。上一頁下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理７.１.３超聲波的接收在超聲波技術(shù)中，除需要能產(chǎn)生一定頻率及強度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進行工作的。當超聲波作用于壓電晶片時，晶片產(chǎn)生正壓電效應(yīng)而產(chǎn)生交變電荷，經(jīng)電壓放大器或電荷放大器放大，最后記錄或顯示出結(jié)果。其結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時就用同一個超聲波發(fā)生器兼做超聲波接收器。上一頁下一頁返回７.１超聲波傳感器的原理磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮的逆效應(yīng)而制成的。當超聲波作用于磁致伸縮材料上時，使材料伸縮，引起它的內(nèi)部磁場（即導磁特性）的變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，磁致伸縮材料上所繞線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，將此電動勢送至測量電路并記錄顯示，可得測量結(jié)果。它的結(jié)構(gòu)也與發(fā)生器類似。上一頁返回７.２超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)各技術(shù)領(lǐng)域的非接觸測量。７.２.１超聲波探傷對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，遇到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播，在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。下一頁返回７.２超聲波傳感器的應(yīng)用１.穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭分別置于工件的相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。其工作原理如圖７－７所示。２.反射法探傷反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷的方法。下面以縱波的一次脈沖反射為例，說明其檢測原理。上一頁下一頁返回７.２超聲波傳感器的應(yīng)用圖７－８所示為以一次底波為依據(jù)進行探傷的方法。高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖加在探頭上，激勵壓電晶體振蕩，產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件的內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷反射回來（缺陷波Ｆ）；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面也反射回來（底波Ｂ）。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波Ｔ、缺陷波Ｆ及底波Ｂ經(jīng)放大后在顯示器熒光屏上顯示出來。由發(fā)射波Ｔ、缺陷波Ｆ及底波Ｂ在掃描線上的位置，可確定缺陷的位置；由缺陷波的幅度，可判斷缺陷的大?。挥扇毕莶ǖ男螤?，可判斷缺陷的性質(zhì)。當缺陷面積大于聲速截面積時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有Ｔ波、Ｆ波，沒有Ｂ波。當工件內(nèi)無缺陷時，熒光屏上只有Ｔ波、Ｂ波，沒有Ｆ波。上一頁下一頁返回７.２超聲波傳感器的應(yīng)用７.２.２超聲波測液位超聲波測液位是利用回聲原理進行工作的，如圖７－９所示。當超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過時間ｔ后，探頭接收到從液面反射回來的回波脈沖。因此，探頭到液面的距離可由下式求出由此可見，只要知道超聲波的傳播速度，通過精確測量時間ｔ的方法，就可測量距離Ｌ。上一頁下一頁返回７.２超聲波傳感器的應(yīng)用７.２.３超聲波測厚度在超聲波測厚度技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的是脈沖回波法，其工作原理如圖７－１０所示。脈沖回波法測量工件厚度的原理，主要是測量超聲波脈沖通過工件所需的時間間隔，然后根據(jù)超聲波脈沖在工件中的傳播速度求出工件的厚度。圖７－１０中主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，并控制發(fā)射電路把它經(jīng)電流放大后接到超聲波發(fā)生器上去。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲脈沖進入工件后，被底面反射回來，并由同一個超聲波發(fā)生器接收。接收到的脈沖信號經(jīng)放大器加至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上。標記發(fā)生器輸出一定時間間隔的標記脈沖信號，也加至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上。上一頁下一頁返回７.２超聲波傳感器的應(yīng)用掃描電壓加至示波器的水平偏轉(zhuǎn)板上。這樣，在示波器熒光屏上就可以直接觀察到發(fā)射脈沖與接收脈沖。根據(jù)橫軸上的時間標記可知從發(fā)射到接收的時間間隔ｔ，則工件的厚度ｄ可由下式求得標記信號一般可以調(diào)節(jié)，根據(jù)測量的要求選擇。如果預(yù)先用