第三章超聲波傳感器

1、第三章第三章 超聲波檢測(cè)技術(shù)超聲波檢測(cè)技術(shù)緒言 發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛；發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛； 超聲波檢測(cè)已成為檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域重要分支；超聲波檢測(cè)已成為檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域重要分支； 對(duì)于固體和液體良好的對(duì)于固體和液體良好的穿透性穿透性：決定了它的特：決定了它的特 殊殊 地位，如海洋探測(cè)、固體內(nèi)部探測(cè)；地位，如海洋探測(cè)、固體內(nèi)部探測(cè)； 無創(chuàng)性無創(chuàng)性：可應(yīng)用到無損探傷、醫(yī)療診斷；：可應(yīng)用到無損探傷、醫(yī)療診斷； 非接觸性非接觸性：測(cè)速、測(cè)距、測(cè)溫：測(cè)速、測(cè)距、測(cè)溫超聲檢測(cè)有其獨(dú)特和不可替代地位，也有著廣泛的發(fā)超聲檢測(cè)有其獨(dú)特和不可替代地位，也有著廣泛的發(fā)展應(yīng)用前景展應(yīng)用前景第三章第三章 超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè) 3

2、3.1 .1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 3 3.2 .2 超聲波傳感器超聲波傳感器 3 3.3 .3 超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用 3.1 3.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 3.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)波動(dòng)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱波波。 聲波聲波： 頻率在頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；次聲波次聲波：低于低于16 Hz的機(jī)械波的機(jī)械波；超聲波超聲波：高于高于2104 Hz的機(jī)械波的機(jī)械波；微波微波： 310831011 Hz之間的波之間的波。圖3-1 聲波的頻

3、率界限圖 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射反射、折射折射和和波型轉(zhuǎn)換波型轉(zhuǎn)換等等現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 101102103104105106107f / Hz微波探測(cè)超聲波語言音樂聲波次聲波0.25106201063.1.1 超聲波的波型及其傳播速度超聲波的波型及其傳播速度 聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：同。通常有： 縱波縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致

4、的波，它能在固體、液體和：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；氣體介質(zhì)中傳播； 橫波橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播； 表面波表面波(瑞利波瑞利波)：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間(橢圓橢圓)，沿著介質(zhì)表，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?板波板波(蘭母波蘭母波) :質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡橢圓，只存在于僅質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡橢圓，只存在于僅1波長(zhǎng)厚的板中波長(zhǎng)厚的

5、板中,板的板的上下表面都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)上下表面都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng). 不同波形傳播速度不同不同波形傳播速度不同.)21)(1 ()1 (Ecl)1 (2EctBclE:彈性模量，彈性模量，：泊松比，泊松比，：密度：密度3.1.2 超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)， 在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射, 另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖5-2所示。 圖5-2 超聲波的反射和折射o介質(zhì)1介質(zhì)2折射波反射波入射波 反射定律：反射定律： 入射角入射角的正弦與反射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之的正弦之比等于波速之

6、比。比。 折射定律折射定律：入射角入射角的正弦與折射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即之比，即 12sinsincc聲波的聲波的反射系數(shù)反射系數(shù)和和透射系數(shù)透射系數(shù)：可分別由如下兩式求得可分別由如下兩式求得: cos,cos.,222111221120cZcZZZZZIIRnnnnnnrZ=C.聲阻抗聲阻抗 ( z=p/v)o介質(zhì)1介質(zhì)2折射波反射波入射波22211112211212210)coscos(coscos4*4ccBcccZZZZIITnnnnt）（式中

7、：式中：I0, Ir, It分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)；分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)； 、分別為聲波的入射角和折射角；分別為聲波的入射角和折射角； 1c1、2c2分別為兩介質(zhì)的聲阻抗，其中分別為兩介質(zhì)的聲阻抗，其中c1和和c2分別為分別為反射波和折射波的速度。反射波和折射波的速度。 當(dāng)超聲波垂直入射界面，即=0時(shí)，則 222112211222111122)(4ccccTccccR 由上述各式可知，由上述各式可知， 若若2c21c1，則反射系數(shù)，則反射系數(shù)R0，透射系數(shù)，透射系數(shù)T1，此時(shí)聲波幾，此時(shí)聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第

8、二介質(zhì)； 若若2c21c1, 或或1c1 2c2時(shí)時(shí),反射系數(shù)反射系數(shù)R1，則聲波在界面，則聲波在界面上幾乎全反射，上幾乎全反射， T T0,0,透射極少。透射極少。 如 ： 在如 ： 在 2 0 水 溫 時(shí) ， 水 的 特 性 阻 抗 為水 溫 時(shí) ， 水 的 特 性 阻 抗 為 1c1 =1.48106kg/(m2s), 空氣的特性阻抗為空氣的特性阻抗為2c2= 0.000 429106 kg/(m2s), 1c1 2c2, 故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時(shí)，故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時(shí)， 將發(fā)生全反射。將發(fā)生全反射。(T約約0.17%) 3.1.3 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波

9、在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 axxaxxeIIePP200式中：式中：Px、Ix距聲源距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)； x聲波與聲源間的距離；聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培（奈培/厘米）。厘米）。 聲波能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收 擴(kuò)散: 即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射:衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，固體介

10、質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運(yùn)動(dòng)，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、 介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。吸收:是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。 3.1.4 超聲波的分辨率與指向性超聲波的分辨率與指向性距離向分辨率：是測(cè)距時(shí)所能分辨的最小距離。 主要取決與超聲波的頻率。 分辨率 提高頻率可提高分辨率。指向性（方位向分辨率）：能分辨的兩物體間的最小間距 對(duì)應(yīng)的波束角。 指向性與換能器的孔徑及波長(zhǎng)密切相關(guān)。 圓形活塞的指向性：近場(chǎng)特性:

11、當(dāng) 為遠(yuǎn)場(chǎng) d22. 12sin2rx 3.2 3.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波傳感器：超聲波傳感器： 用于產(chǎn)生和接收超聲波的裝置。 又可稱為：超聲波換能器、探測(cè)器 超聲波探頭按工作原理可分為： 壓電式、磁致伸縮式、電磁式等 壓電式最為常用。 常用的材料是石英晶體和壓電陶瓷 工作原理：逆壓電效應(yīng)：將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。正壓電效應(yīng)：將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。按傳播介質(zhì)可分為：氣介式、液介式、固介式 氣介式超聲波換能器氣介式超聲波換能器彎曲振動(dòng)式： 夾心式： 復(fù)合振動(dòng)型： 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引

12、線等組成。圖3-2 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 金屬殼吸收塊保護(hù)膜接線片壓電晶片導(dǎo)電螺桿液（固）介式超聲波探頭液（固）介式超聲波探頭3.3 3.3 超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用 3.3.1 超聲波物位測(cè)量超聲波物位測(cè)量 利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性。由換能器發(fā)射超聲脈沖，遇到界面被反射回來,測(cè)量出超聲波來回時(shí)間，就可以求出分界面的位置，實(shí)現(xiàn)物位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。 圖3-3給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-3幾種超聲物位傳感

13、器的結(jié)構(gòu)原理示意圖 (a) 超聲波在液體中傳播； (b) 超聲波在空氣中傳播hh2a2ahhss(a)(b) 對(duì)于單換能器來說， 超聲波從發(fā)射器到液面， 又從液面反射到換能器的時(shí)間為t: 2cth 式中：h換能器距液面的距離； c超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。關(guān)鍵是聲速的校正 : 測(cè)溫修正 標(biāo)準(zhǔn)距離修正 從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的物位。 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下， 它的測(cè)量誤差為0.1%，檢測(cè)物位的范圍為10-2104m。 3.3.2 超聲波流量測(cè)量超聲波流

14、量測(cè)量 超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的， 如傳如傳播速度變化播速度變化法法、波速移動(dòng)法波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法多卜勒效應(yīng)法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播聲波傳播時(shí)間差法時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，體的截面積， 便可知道流體的流量便可知道流體的流量。 原理:在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接

15、收超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L(zhǎng), 如圖所示。如設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c，流體流動(dòng)速度為v，則 vcLtvcLt21 一般來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度， 因此超聲波傳播時(shí)間差為 22122vcLvttt由于cv, 從上式便可得到流體的流速， 即 tLcv22圖5-6 超聲波傳感器安裝位置 管道流量計(jì)的安裝方式管道流量計(jì)的安裝方式此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定：此時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間將由下式確定： sincossincos21vcDtvcDt特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用 超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)

16、，可測(cè)的流體超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、 高粘度的流體，還是漿狀流高粘度的流體，還是漿狀流體，體， 只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。 超聲波流量計(jì)可用來對(duì)自來水、工業(yè)用水、超聲波流量計(jì)可用來對(duì)自來水、工業(yè)用水、 農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。量。 還適用于下水道、還適用于下水道、 農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。 3.3.33.3.3超聲多譜勒流速流向測(cè)量超聲多譜勒流速流向測(cè)量原理:超聲波作用在水流中粒子上產(chǎn)生反射,由于相對(duì)聲波的傳播方向有相對(duì)運(yùn)動(dòng),故產(chǎn)生多譜勒差頻.二維、三維流速測(cè)量：