檢測(cè)技術(shù)與海洋智能儀器：超聲傳感器

1、9.2 超聲波傳感器超聲波及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng), 簡稱波。頻率在162104 Hz之間, 能為人耳所聞的機(jī)械波, 稱為聲波; 低于16 Hz的機(jī)械波, 稱為次聲波; 高于2104 Hz的機(jī)械波, 稱為超聲波。 如圖所示。 一、 超聲波的波形與聲速 由于聲源在介質(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: 縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波; 橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波; 表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間， 沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播, 表面波隨深度增加衰減很快。 為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理

2、量, 應(yīng)多采用縱波。 縱波、 橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度, 氣體中聲速為344 m/s, 液體中聲速在9001900 m/s。 超聲波的反射和折射：當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的分界面上時(shí)，一部分聲波被反射，另一部分透過界面繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象稱為聲波的反射和折射。超聲波的衰減：超聲在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。超聲波的干涉：同一種介質(zhì)，頻率相同，振動(dòng)方向相同。兩列及以上的聲波，會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。9.2.2 超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、 探測(cè)器或傳感器。 超聲波探頭按其工作原理可分

3、為壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等, 而以壓電式最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷, 這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。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(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng), 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(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 可用為接收探頭。 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示, 主要由壓電晶片、 吸收塊（阻尼塊）、 保護(hù)膜組成。壓電晶片多為圓板形, 厚度為。 超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層, 作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì), 吸收聲能量。如果沒有阻尼塊, 當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí), 晶

4、片將會(huì)繼續(xù)振蕩, 加長超聲波的脈沖寬度, 使分辨率變差。 9.2.3 超聲波傳感器的應(yīng)用 一、 超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。 如果從發(fā)射超聲脈沖開始, 到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知, 就可以求出分界面的位置, 利用這種方法可以對(duì)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)射和接收超聲波均使用一個(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。 式中: h換能器距液面的距離; v超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。 對(duì)于雙換能器來說, 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程

5、為2s, 而 s = （10 - 6）因此液位高度為 h = （s2-a2）1/2 （10 - 7）式中: s超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離; a兩換能器間距之半。二、 超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測(cè)定原理是多樣的, 但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳輸時(shí), 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的, 利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度, 再根據(jù)管道流體的截面積, 便可知道流體的流量。 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器, 它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波, 一個(gè)裝在上游, 一個(gè)裝在下游, 其距離為L。如圖5所示。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1, 逆流方向的傳輸時(shí)間為t

6、2, 流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c, 流體流動(dòng)速度為v, 則 t1 = t2 = 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, 那么超聲波傳播時(shí)間差為 t=t2-t1= （10 - 10）由于cv, 從上式便可得到流體的流速, 即 v = （10 - 11） 在實(shí)際應(yīng)用中, 超聲波傳感器安裝在管道的外部, 從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響, 如圖6所示。 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)流體種類很多, 不論是非導(dǎo)電的流體、 高粘度的流體、漿狀流體, 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、農(nóng)業(yè)用水

7、等進(jìn)行測(cè)量。 還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、 河流等流速的測(cè)量。 超聲波探傷超聲波探傷是利用超聲波在物體中的傳播、反射和衰減等物理特性來發(fā)現(xiàn)缺陷的一種無損檢測(cè)方法。它主要用于檢測(cè)金屬材料和部分非金屬材料的內(nèi)部缺陷。超聲波探傷具有成本低、操作方便、檢測(cè)厚度大、對(duì)人和環(huán)境無害等突出優(yōu)點(diǎn)，但也存在諸如探傷不直觀、難以確定缺陷的性質(zhì)、評(píng)定結(jié)果在很大程度上受操作者技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)的影響及不能給出永久性記錄等缺點(diǎn)。 超聲波無損探傷超聲波脈沖是用壓電元件產(chǎn)生的縱波、橫波、表面波或平面波，用其檢測(cè)金屬材料的物理性質(zhì)（速度或衰減），從而達(dá)到檢測(cè)金屬材料的內(nèi)部裂紋或氣泡等缺陷的目的。超聲波無損探傷只針對(duì)鋼鐵、鋁合金、銅合金、塑料、陶瓷等材料。頻率范圍1-10MHz，主要采用超聲波脈沖沖擊法，激勵(lì)壓電元件如壓電陶瓷等。探傷原理超聲波脈沖（通常為1.5MHz）從探頭射入被檢測(cè)物體，如果其內(nèi)部有缺陷，缺陷與材料之間便存在界面，則一部分入射的超聲波在缺陷處被