情境一壓電式傳感器天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院PPT課件

1、任務(wù)三 發(fā)電型傳感器 第1頁/共63頁情境一 壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種有源傳感器，亦即發(fā)電型傳感器。它是以某些材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，這些材料的表面上產(chǎn)生電荷，從而把力轉(zhuǎn)換為電荷，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。因此壓電式傳感器是力敏元件，它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如壓力、應(yīng)力、加速度振動等。由于沒有運(yùn)動部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性穩(wěn)定性高，在工程上有著廣泛的應(yīng)用。第2頁/共63頁一 壓電效應(yīng) 科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱作壓電效應(yīng)。 第3頁/共63

2、頁 圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。從圖中可以看出，改變壓電材料的變形方向，可以改變其產(chǎn)生電荷的極性。 dFQ 實(shí)驗(yàn)證明，壓電元件上產(chǎn)生的電荷量Q與施加的外力F成正比，即（3-13-1）式中，d為壓電材料的壓電系數(shù)；F為施加在壓電材料上的外力。 第4頁/共63頁二 電致伸縮效應(yīng) 壓電效應(yīng)是可逆的，當(dāng)在壓電元件上沿著電軸的方向施加電場，壓電元件將產(chǎn)生機(jī)械變形。如果外加電場的大小、方向發(fā)生變化，壓電元件的機(jī)械變形的大小也隨之相應(yīng)變化，這種現(xiàn)象稱作電致伸縮效應(yīng)。 可以想象如果外加電場以很高的頻率按正弦規(guī)律變化，壓電元件的

3、機(jī)械變形也按正弦規(guī)律快速變化，這種變化使壓電元件產(chǎn)生機(jī)械振動。超聲波就是利用這種效應(yīng)制作的。第5頁/共63頁三 壓電材料 常見的壓電材料可分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷與新型高分子壓電材料。 1 1壓電晶體： 石英晶體一種性能良好的天然壓電晶體，其突出的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高。此外石英晶體還具有線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高（可達(dá)550且壓電系數(shù)不隨溫度而改變）等優(yōu)點(diǎn)，但石英晶體壓電系數(shù)較低，價(jià)格較貴。 2 2壓電陶瓷 ： 人工制造的多晶體，將各成分按照一定的比例混合均勻后在高溫中燒結(jié)而成。與石英晶體相比其優(yōu)點(diǎn)是壓電陶瓷的壓電系數(shù)高制造的成本低，因此在實(shí)

4、際使用的第6頁/共63頁壓電傳感器，大都采用壓電陶瓷材料。缺點(diǎn)是熔點(diǎn)低，性能沒有石英晶體穩(wěn)定。 3新型壓電材料： 新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等。有機(jī)壓電薄膜是由某些高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電場極化后形成的具有壓電特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氟乙烯等。有機(jī)壓電薄膜具有柔軟、不易破碎、具有防水性、面積大等優(yōu)點(diǎn)，可制成大面積陣列傳感器和機(jī)器人觸覺傳感器。 有些材料如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等，既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性。由于同一材料上兼有壓電和半導(dǎo)體兩種物理性能，故可以利用壓電性能制作敏感元件，又可以利用半導(dǎo)體特性制成電路器件，研制成新型集成壓電傳感器。 第7頁/共63頁第8頁/

5、共63頁四 等效電 路 壓電元件是在壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成兩個(gè)金屬膜電極，當(dāng)壓電晶片受力時(shí)，在晶片的兩個(gè)表面上聚積等量的正、負(fù)電荷，晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板，兩極板之間的壓電材料等效于一種介質(zhì)，因此壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板介質(zhì)電容器。 因此，壓電元件可以等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路 ，也可以等效成一個(gè)電壓源U = Q/Ca 和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路 第9頁/共63頁五 壓電傳感器的測量電路 由于壓電元件上產(chǎn)生的電荷量很小，必須選擇一種合適的放大器將電荷量檢測出來。常用的壓電傳感器的測量電路有以下兩種。1電壓放大器 圖3-3電壓放大器圖中圖中：

6、Ca：傳感器的電容傳感器的電容、 Ra：傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻、 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容、Ri：放大器的輸入電阻、放大器的輸入電阻、 Ci：放大器的輸入電容。放大器的輸入電容。 第10頁/共63頁 假設(shè)有一交變的力作用到壓電元件上，則壓電元件上產(chǎn)生的電荷量為：dFQ （3-2）此時(shí)放大器輸入端的電壓為： icaiCCCdFU （3-3） 因此放大器的輸出與Ca、Cc、Ci有關(guān)，實(shí)際使用時(shí)，不能隨意更換傳感器出廠時(shí)的連接電纜，否則，會給測量帶來誤差。 第11頁/共63頁 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然

7、使傳感器的電壓靈敏度降低。這在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。2電荷放大器 圖3-4電荷放大器第12頁/共63頁放大器的輸出電壓為： ficaCACCCAQU)1 (0 由于放大器的增益很大，所以上式中的Ca+Cc+Ci，可以忽略。放大器的輸出電壓為： ffCQCAAQU)1 (0 電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關(guān)，而與連接電纜無關(guān)，更換連接電纜時(shí)不會影響傳感器的靈敏度，這是電荷放大器的最大優(yōu)點(diǎn)。 第13頁/共63頁 由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。 為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯?/p>

8、器。經(jīng)過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示 儀表或記錄器。目前，制造廠家已有把壓電式傳感器與前置放大器集成在一起的產(chǎn)品，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。 第14頁/共63頁六 壓電傳感器的應(yīng)用 玻璃打碎報(bào)警裝置。玻璃破碎時(shí)會發(fā)出幾千赫茲的振動。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動， 圖3-5為高分子壓電薄膜振動感應(yīng)片示意圖。第15頁/共63頁高分子薄膜厚約0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜制成10mm20mm大小。在它的正、反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，也可以用熱印制工藝制作鋁薄膜電極再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線，并用保護(hù)膜覆蓋。使用

9、時(shí)，用膠將其粘貼在玻璃上，當(dāng)玻璃遭到暴力打碎時(shí)，壓電薄膜感受到劇烈振動。在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖信號，該信號經(jīng)放大后，用電纜輸送到集中報(bào)警裝置，產(chǎn)生報(bào)警信號。由于感應(yīng)片很小且透明，不易察覺，所以可安裝于貴重物品柜臺、展覽櫥窗等。 第16頁/共63頁情境二 霍爾傳感器 霍爾傳感器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種磁敏傳感器，它利用磁場作為媒介，可以檢測很多的物理量，如微位移、加速度、轉(zhuǎn)速、流量、角度等，也可用于制作高斯計(jì)、電流表、功率計(jì)、乘法器、接近開關(guān)和無刷直流電機(jī)等。它可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，而且在很多情況下，可采用永久磁鐵來產(chǎn)生磁場，不需附加能源。因此，這種傳感器廣泛應(yīng)用于自動控制、電磁檢測等

10、各個(gè)領(lǐng)域中。 第17頁/共63頁 霍爾傳感器有霍爾元件和霍爾集成電路兩種類型。目前，霍爾傳感器已從分立型結(jié)構(gòu)發(fā)展到集成電路階段。霍爾集成電路是把霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)。與前者相比，霍爾集成電路更具有微型化、可靠性高、壽命長、功耗低以及負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正越來越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。一 霍爾效應(yīng) 如圖所示將金屬或半導(dǎo)體薄片垂直放置于磁場中，并通以控制電流I，那么，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第18頁/共63頁 產(chǎn)生的電動勢HU 稱為霍爾電勢，金屬或半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。該效應(yīng)是由E.H.Hall于1879年

11、發(fā)現(xiàn)的。 HUHHUK IB 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受到磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果?；魻栯妱菘杀硎緸椋?第19頁/共63頁式中 ，I為控制電流；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；HK為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。HK 與霍爾元件材料的性質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)。由于金屬的電子濃度高，所以它的霍爾系數(shù)或靈敏度都很小，因此不適宜制做霍爾元件；元件的厚度d愈小，靈敏度愈高，因而制做霍爾片時(shí)可采取減小d 的方法來增加靈敏度。但是不能認(rèn)為d愈小愈好，因?yàn)檫@會導(dǎo)致元件的輸入和輸出電阻增加。一般采用霍爾系數(shù)或靈敏度比較大的N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件。 第20頁/共63頁二 、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù) 霍爾元件是一種四端型器件，如下圖所示，

12、它由霍爾片、4根引線和殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，尺寸一般為4mm 2mm 0.1 mm。通常為紅色的兩個(gè)引線A、B 為控制電流輸入線， C、D 兩個(gè)綠色引線為霍爾電勢輸出線。 第21頁/共63頁1 1輸入電阻( () )和輸出電阻( (OUT)OUT) 為霍爾器件兩個(gè)電流電極（控制電極）之間的電阻，OUT為兩個(gè)霍爾電極之間的電阻。 2額定控制電流C 霍爾器件將因通電流而發(fā)熱。使在空氣中的霍爾器件產(chǎn)生允許溫升10時(shí)的控制電流稱為額定控制電流。當(dāng)控制電流超過額定控制電流C時(shí)，器件溫升將大于允許的溫升，器件特性將變壞。 3不等位電勢（也稱為非平衡電壓或殘留電壓）0和不等位電阻0第22

13、頁/共63頁 當(dāng)外加磁場為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢。它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢引起的誤差。4靈敏度H5霍爾電勢溫度系數(shù) 在磁感應(yīng)強(qiáng)度及控制電流一定清況下，溫度變化l,相應(yīng)霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)。它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般為0.1/左右。在要求較高場合，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。第23頁/共63頁表1 典型霍爾元件主要參數(shù)第24頁/共63頁三 霍爾集成電路 將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路、輸出電路及穩(wěn)壓電源等集成在一塊芯片上，稱為霍爾集成電路，常見的有線性型和開關(guān)型兩種。 1線性型霍爾集成傳感器 在一定的控制電流條件下，線性型霍

14、爾傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系。它有單端輸出型與雙端輸出型兩種。 圖3-8線性型霍爾集成電路 第25頁/共63頁2.開關(guān)型霍爾集成傳感器 常見的霍爾開關(guān)集成電路有UGN-3000系列，其外形與UGN3501T相同，內(nèi)部由霍爾元件、放大器、整形電路及輸出電路組成，如圖3-9所示。 圖3-9 開關(guān)型霍爾集成電路第26頁/共63頁四 霍爾傳感器的應(yīng)用1鉗型電流表 由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器具有測量為非接觸式、測量精度高、不必切斷電路電流、測量的頻率范圍廣（從零到幾千赫茲）、本身幾乎不消耗電路功率等特點(diǎn)。 根據(jù)安培定律，在載流導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生一正比于該電流的磁場。用霍爾元件來測量這一磁場，可

15、得到一正比于該磁場的霍爾電動勢。通過測量霍爾電動勢的大小來間接測量電流的大小，這就是霍爾鉗形電流表的基本測量原理。如圖3-10所示。第27頁/共63頁 圖3-10霍爾鉗型電流表第28頁/共63頁2液位探測與報(bào)警 在容器的上部安裝上開關(guān)型霍爾集成電路，液體里放置一個(gè)安有磁極的浮子，當(dāng)容器內(nèi)液體的液位達(dá)到檢測位置時(shí)，霍爾集成電路就會輸出一個(gè)開關(guān)信號，控制其他設(shè)備的啟停。圖3-11位置檢測第29頁/共63頁霍爾測速實(shí)驗(yàn)霍爾測速實(shí)驗(yàn)第30頁/共63頁第31頁/共63頁情境三 磁電式傳感器 磁電式傳感器又稱感應(yīng)式傳感器或電動式傳感器，是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢的原理進(jìn)行工作的

16、。它不需要輔助電源就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是有源傳感器。磁電式傳感器電路簡單，輸出功率大且性能穩(wěn)定，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為10l000 Hz)，適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。 第32頁/共63頁一 磁電式傳感器的工作原理 磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)N匝線圈在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即 dtdNE 根據(jù)這一原理，將磁電感應(yīng)式傳感器分為變磁通式和恒磁通式兩類。 第33頁/共63頁1變磁通式 變磁通式傳感器又稱為變磁阻磁電感應(yīng)式傳感器

17、或變氣隙磁電感應(yīng)式傳感器，圖3-12是變磁通式磁電傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。圖3-12(a)為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上、隨之一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速。第34頁/共63頁 圖3-12(b)為閉磁路變磁通式結(jié)構(gòu)示意圖，被測旋轉(zhuǎn)體1帶動橢圓形測量輪2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動，使氣隙平均長度周期性地變化，因而磁路磁阻也周期性地變化，磁通同樣周期性地變化，則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)

18、電動勢，其頻率與測量輪的轉(zhuǎn)速成正比。也可以用齒輪代替橢圓形測量輪，軟鐵制成內(nèi)齒輪形式，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動勢，顯然感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。第35頁/共63頁12345NS12435NS圖3-12變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖（a）開磁路；（b）閉磁路1轉(zhuǎn)軸；2測量輪；3感應(yīng)線圈；4軟鐵；5永久磁鐵 變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在15090的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，

19、約為50Hz，上限可達(dá)100kHz。 第36頁/共63頁2恒磁通式 圖3-13為恒磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)，它由永久磁鐵5、線圈2、彈簧3、金屬骨架1和殼體4等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動部件可以是線圈，也可以是磁鐵，因此又分為動圈式和動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。圖3-13(a)所示為動圈式結(jié)構(gòu)原理圖，永久磁鐵5與傳感器殼體4固定，線圈2和金屬骨架1用柔軟彈簧3支承。圖3-13(b)所示為動鐵式結(jié)構(gòu)原理圖，線圈2和金屬骨架1與殼體4固定，永久磁鐵5用柔軟彈簧3支承。兩者的阻尼都是由金屬骨架1和磁場發(fā)生相對運(yùn)動而產(chǎn)生的電磁阻尼，所謂動圈

20、、動鐵都是相對于傳感器殼體而言。第37頁/共63頁1354212345NSNS圖3-13 恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；（b）動鐵式1金屬骨架；2線圈；3彈簧；4殼體；5永久磁鐵 動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的，當(dāng)殼體4隨被測振動體一起振動時(shí)，由于彈簧3較軟，運(yùn)動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高(遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率)時(shí)，運(yùn)動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵5與線圈2之間的相對運(yùn)動速度接近于振動體振動速度，磁鐵5與線圈2的相對運(yùn)動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)第38頁/共63頁 EB0LN 式中： B0工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； L

21、 每匝線圈平均長度；N 線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；相對運(yùn)動速度。 由上式可知，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B0、L、N均為定值，因此感應(yīng)電動勢E與線圈相對磁場的運(yùn)動速度成正比。 恒磁通磁電式傳感器的頻響范圍一般為幾十赫茲至幾百赫茲，低的可到10Hz左右，高的可達(dá)2kHz左右。第39頁/共63頁 由以上分析可知，磁電式傳感器只適用于動態(tài)測量，可直接測量振動物體的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。二 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用動圈式振動速度傳感器 圖3-14是動圈式振動速度傳感器，一般用于大型構(gòu)件的測振。傳感器的磁鋼與殼體（軟磁材料）固定在一

22、起，形成磁路系統(tǒng)，殼體還起屏蔽作用。芯軸的一端固定著一個(gè)線圈，另一端固定一個(gè)圓筒形銅杯（阻尼杯）。慣性元件（質(zhì)量塊）是線圈組件、阻尼杯和芯軸，而不是磁鋼。第40頁/共63頁 17654321引線；2線圈；3外殼；4芯軸；5磁鋼；6阻尼杯；7彈簧片 使用時(shí)，將傳感器固定在被測振動體上，當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時(shí)，線圈接近靜止不動，而磁鋼則跟隨振動體一起振動。這樣，線圈與磁鋼之間就有了相對運(yùn)動，其相對速度等于振動體的振動速度。線圈以相對速度切割磁力線，并輸出正比于振動速度的感應(yīng)電勢，通過引線接到測量電路。 圖314 動圈式振動速度傳感器第41頁/共63頁 由于線圈組件、阻尼杯和芯軸的質(zhì)量較

23、小，且阻尼杯又增加了阻尼，所以阻尼比增加。這就改善了傳感器的低頻范圍的幅頻特性，使共振峰降低，從而提高了低頻范圍的測量精度。但從另一方面來說，質(zhì)量減少卻會使傳感器的固有頻率增加，使低頻率響應(yīng)受到限制。因此，在傳感器中采用了非常柔軟的薄片彈簧，以降低固有頻率，擴(kuò)大低頻段的測量范圍。 第42頁/共63頁情境四 超聲波傳感器 超聲波傳感器是一種以超聲波作為檢測手段的新型傳感器。利用超聲波的各種特性，可做成各種超聲波傳感器，再配上不同的測量電路，制成的各種超聲波儀器及裝置，廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門的超聲探測、超聲清洗、超聲焊接等方面。一 超聲波及其物理性質(zhì) 1聲波的分類第43頁/

24、共63頁 振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。聲波是一種可在氣體、液體、固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)聲波頻率的范圍，聲波可分為：次聲波、聲波和超聲波。其中，頻率在20Hz20kHz的范圍內(nèi)時(shí)，可為人耳所感覺，稱為聲波；20Hz以下的機(jī)械振動人耳聽不到，稱為次聲波；頻率高于20kHz的機(jī)械振動波稱為超聲波。1聲波的分類2 2超聲波的波形 由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向的不同，超聲波的波形也不同。通?？煞譃槿缦聨追N：第44頁/共63頁1）縱波： 質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播；2）橫波： 質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體中傳播；3

25、）表面波： 質(zhì)點(diǎn)的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。表面波的軌跡是橢圓形，質(zhì)點(diǎn)位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點(diǎn)位移的短軸平行于傳播方向。由于表面波隨深度增加而衰減很快，因此只能沿著固體的表面?zhèn)鞑?。?5頁/共63頁 當(dāng)聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的分界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波的反射和折射，在一定條件下還會產(chǎn)生表面波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的折射和反射定律。3超聲波的傳播速度 超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)及介質(zhì)的密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344m/s，液體中聲速為9001900m/s。在固體中，縱波

26、、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系，通常認(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波的聲速約為橫波聲速的90。第46頁/共63頁4超聲波的反射和折射 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射，如圖3-15所示。 1）反射定律 入射角 的正弦與反射角的正弦之比等于入射波與反射波的速度之比。當(dāng)反射波與入射波同處于一種介質(zhì)中時(shí)，因波速相同，則反射角等于入射角。第47頁/共63頁2）折射定律 當(dāng)波在界面上產(chǎn)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波在第一種介質(zhì)中的波速C1與在第二種介質(zhì)中的波速C2之比，即： 21sinsinCC5超聲波在介質(zhì)中的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)

27、，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為： 2ax0 xax0 xeeIIPP第48頁/共63頁 式中：Px、Ix平面波在x處的的聲壓和聲強(qiáng)； P0、I0 平面波在x0處的的聲壓和聲強(qiáng)； a衰減系數(shù)。 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，超聲波的衰減僅來自于超聲波的擴(kuò)散，即隨著超聲波傳播距離的增加而引起聲能的衰減。第49頁/共63頁二 超聲波傳感器的工作原理 超聲波傳感器包括超聲波發(fā)生器和超聲波接器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。 超聲波傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。下面以壓電

28、式超聲波傳感器為例介紹其工作原理。第50頁/共63頁 壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可用為接收探頭。圖316 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)1保護(hù)膜2吸收塊3金屬殼4導(dǎo)電螺桿5接線片6壓電晶片第51頁/共63頁 由于壓電材料較脆，為了絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配及防止不良環(huán)境的影響，壓電元件常常裝在一個(gè)外殼內(nèi)而構(gòu)成探頭。超聲波探頭按其結(jié)探頭的結(jié)構(gòu)圖。它主要是由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜組成。壓電晶片多為圓板型，厚度為，超聲

29、波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下站合一層保護(hù)膜（0.3mm厚的塑料膜、不銹鋼片或陶瓷片）。阻尼塊的作用是降低壓電晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收超聲波的能量。如果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵的電脈沖信號停止時(shí)，晶片會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。第52頁/共63頁三 超聲波傳感器的應(yīng)用1聲納 聲納是一種水聲學(xué)儀器。其聲發(fā)射器發(fā)出的超聲波在水中傳播，當(dāng)遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，經(jīng)聲接收器接收，通過信號處理能測知障礙物的位置和距離。聲納也可用來接收水中物體發(fā)出的聲音，以測定物體的方位。第53頁

30、/共63頁 聲納最初被用來測定水深。超聲波由超聲換能器從水面垂直向下發(fā)射(稱為垂直聲納)，如圖470所示，發(fā)射超聲脈沖時(shí)會在示波管上出現(xiàn)發(fā)射脈沖的跡線，當(dāng)發(fā)射的超聲波(或聲波)向下遇到海底時(shí)即被反射，該回波將被超聲波傳感器所接收，在示波管上即出現(xiàn)接收波脈沖的跡線。若從發(fā)射波開始到接收波出現(xiàn)的時(shí)間間隔為T，海水中的聲速為v，則水深h為vth21 魚群探測器用的是相同原理，只是超聲波向下發(fā)射時(shí)遇到的是密集魚群而被反射，這時(shí)不僅可探測到魚群還可測知魚群所在位置的深度。第54頁/共63頁2 2超聲波探傷 利用超聲波可探查金屬內(nèi)部的缺陷，這是一種非破壞性檢測，也即無損檢測。利用此方法可對高速運(yùn)動的板料、

31、棒料進(jìn)行檢測，也可制成全自動檢測系統(tǒng)，不但能發(fā)出報(bào)警信號，還可在有缺陷區(qū)域噴上有色涂料，并根據(jù)缺陷的數(shù)量或嚴(yán)重程度作出“通過”或“拒收”的決定。當(dāng)材料內(nèi)有缺陷時(shí)，材料內(nèi)的不連續(xù)性成為超聲波傳輸?shù)恼系K，超聲波通過這種障礙時(shí)只能透射一部分聲能。只要十分細(xì)小的細(xì)裂紋，在無損檢測中即可構(gòu)成超聲波不能透過的阻擋層。利用此原理即可構(gòu)成缺陷的透射檢測法，如圖318所示。第55頁/共63頁 在檢測時(shí)，把超聲發(fā)射探頭置于試件的一側(cè)，而把接收探頭置于試件的另一側(cè)，并保證探頭和試件之間有良好的聲耦合，以及兩個(gè)探頭置于一條直線上，這樣監(jiān)測接收到的超聲波強(qiáng)度就可獲得材料內(nèi)部缺陷的信息。在超聲波束的通道中出現(xiàn)的任何缺陷都會使接收信號下降，甚至完全消失，這就表示試件中有缺陷存在。第56頁/共63頁 除了透射檢測法，脈沖反射法也是常用的一種。測試時(shí)探頭放于被測的工件上，并在工件上來回移動。探頭發(fā)出的超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播，如工件中沒有缺陷，則超聲波傳到工件的底部才發(fā)生反射，在顯示屏上只出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B，如圖3-19所示。 圖3-19無缺陷時(shí)的脈沖波形 圖3-20有缺陷時(shí)的脈沖波形第57頁/共63頁 如工件中有缺陷，一部分聲波在缺陷處產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播直到工件的底部才發(fā)生反射。在顯示屏上