1、1.掌握超聲波傳感器的工作原理 2.掌握超聲波傳感器的應(yīng)用,第11.2節(jié) 超聲波傳感器,檢測(cè)技術(shù),返回課程索引,11.2超聲波傳感器超聲波探頭,11.2.1、超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ),聲波機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播。,第十一章 紅外和輻射式傳感器,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(fā)生共振，78Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。,11.2.1超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ),2）可聞聲波：2020000Hz,美妙的音樂使人陶醉,3）超聲波：頻率大于20000Hz,蝙蝠依靠超聲波捕食,11.2.1超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ),頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)

2、波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。(頻率為40 kHz的超聲波在空氣中傳播效率最佳),11.2.1超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ),11.2.2、超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù)：超聲波換能器,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(shù)種，在本課程中主要介紹壓電式。,第十一章 超聲波傳感器,以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波使用超聲探頭(超聲換能器)。,超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波(逆壓電效應(yīng))，也可以接收超聲波(正壓電效應(yīng))。,11.2

3、.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),接觸式直探頭產(chǎn)生超聲波原理,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),超聲波探頭中的壓電陶瓷晶片,將超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷或電壓。,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),基于微處理器的超聲波發(fā)射電路原理,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),典型的超聲波接收電路：用CX20106A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、帶通濾波（只對(duì)40kHz的信號(hào)敏感）。該電路通常用于超聲波測(cè)距。,11.2.2 超

4、聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),1 腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。 2 腳：該腳與地之間連接RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3f。 5 腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k 時(shí)，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。 6 腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)

5、值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 當(dāng) CX20106A 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入,各種超聲波探頭,常見晶片直徑：530mm,接觸式直探頭（超聲波垂直入射到被檢介質(zhì)）,外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。,保護(hù)膜,接插件,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),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(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可

6、產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。,底部耐磨材料,接插件,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),各種接觸式斜探頭,常用頻率范圍：15MHz,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),雙晶直探頭,將兩個(gè)單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)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(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的發(fā)射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。,發(fā)射晶片,接收晶片,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),各種雙晶直探頭,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),耦合劑,超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣

7、將引起三個(gè)界面間強(qiáng)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(cè)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(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),空氣超聲探頭,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),空氣超聲探頭,11.2.2 超聲波產(chǎn)生/接收技術(shù),11.2.3、超聲波的基本特性：,1)超聲波具有反射和折射特性,2)超聲波的衰減與介質(zhì)對(duì)超聲波的散射、吸收等性質(zhì)有關(guān)。 超聲波在氣體中衰減大，在液體、固體中衰減很小。,第十一章 超聲波

8、傳感器,3) 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(diǎn)。,11.2.3 超聲波的物理特性,超聲波霧化器,超聲波加濕器,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(jī),11.2.3 超聲波的物理特性,超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，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。,便攜式超聲波探魚器,11.2.3 超聲波的物理特性,11.2.4、超聲波傳感器的應(yīng)用,第十一章 超聲波傳感器,超聲波測(cè)量液位和物位,(1)在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返

9、時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。,(2)液介質(zhì)自發(fā)自收測(cè)量方式，聲波在液體中進(jìn)行傳播。,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波探傷,利用超聲波的物理特性強(qiáng)度、吸收、傳播時(shí)間、衰減等與缺陷的關(guān)系，檢測(cè)材料的分層、氣孔、裂縫以及焊接結(jié)構(gòu)的裂紋、氣孔等。,超聲波探傷的方法很多脈沖反射法、穿透法和共振法。,超聲波對(duì)金屬內(nèi)部進(jìn)行探傷（脈沖反射法）,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波探傷,超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達(dá)不到的深度。,A型超聲探傷反射波形,裂紋,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波探傷儀,鋼板、鋼管等金屬

10、全自動(dòng)探傷系統(tǒng),11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,管道環(huán)焊縫超聲波檢測(cè)裝置,管道環(huán)焊縫超聲波檢測(cè)裝置原理,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,構(gòu)件的超聲探傷,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波測(cè)距,超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，即：s=340t/2,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波測(cè)距,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波測(cè)厚,雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是

11、超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度 ：,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo) （參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）,顯示方法128*32 LCD 點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光） 顯示位數(shù)：四位 測(cè)量范圍：0.8200mm 示值精度：0.1mm 聲速范圍：1000 9999m/s 測(cè)量周期：2次/秒 自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒 電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí) 使用溫度：-10C 40C 存儲(chǔ)溫度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含電池）,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波手持式測(cè)厚,混凝土測(cè)厚,木材測(cè)

12、厚,小提琴 木料測(cè)厚,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,B型超聲波診斷儀,B超一種輝度調(diào)制(Brightness Modulation)式診斷儀。B型成像方式所得到的是與聲束傳播方向垂直的物體斷面的圖像，聲束沿z方向傳播，沿x方向掃描，逐次照射物體的不同區(qū)域，并接收聲,束所達(dá)區(qū)域內(nèi)物體的散射聲信號(hào)，將聲信號(hào)幅度調(diào)制成熒光屏上相應(yīng)位置的光點(diǎn)亮度,從而獲得聲束掃描斷面內(nèi)與聲散射信號(hào)幅度 對(duì)應(yīng)的圖像。掃描方式主要有線掃描和扇形掃描兩種。,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,B超所使用的換能器多為線陣聚焦/掃描型，典型陣元數(shù)為256，外形如作下圖所示。,右下圖是腎臟的B

13、超圖像,超聲波傳感器應(yīng)用舉例,質(zhì)量檢查,緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè),11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波傳感器應(yīng)用舉例,物件放置錯(cuò)誤檢測(cè),11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,紙卷直徑檢測(cè),超聲波傳感器應(yīng)用舉例,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,流水線計(jì)數(shù),超聲波傳感器應(yīng)用舉例,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超長(zhǎng)距離檢測(cè),超聲波傳感器應(yīng)用舉例,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲防盜報(bào)警器,圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率 f=40kHz左右的超聲波。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為 v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移f。,11.2.4 超聲波傳感器的應(yīng)用,超聲波用于高效清洗,當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)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(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)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(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)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(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到清洗和沖刷工