壓電型傳感器與測(cè)量電路

壓電型傳感器與測(cè)量電路第一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二利用正壓電效應(yīng)，人們制成了加速度傳感器等器件。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”(電致伸縮效應(yīng))。利用電致伸縮效應(yīng)，人們制作了超聲波發(fā)生器，用于金屬材料探傷等領(lǐng)域。具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)一電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-1所示。

FF極化面Q壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)T(S)電能Q(E)機(jī)械能圖5-1壓電效應(yīng)

(a)(b)+-在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。第二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數(shù)有：①壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。②彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。③介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。④機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量(如電能)與輸入的能量(如機(jī)械能)之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。⑤電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。⑥居里點(diǎn)溫度：它是指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。第三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.1.2壓電材料的加載結(jié)構(gòu)壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷(或電壓)輸出。單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片(或兩片以上)同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。如圖5-2所示，從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖5-2(a)是兩個(gè)壓電片的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類(lèi)似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖5-2(b)是兩壓電片不同極性端粘結(jié)在一起，從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

第四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。圖5-2壓電元件的連接方式（a）相同極型端粘接——并聯(lián)（b）不同極性端粘接——串聯(lián)壓電式傳感器中的壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式，如圖5-3所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。第五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線(xiàn)性度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線(xiàn)性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱(chēng)預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線(xiàn)性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力與扭矩。圖5-3壓電元件加載方式第六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5．2壓電式傳感器的測(cè)量電路5.2.1壓電式傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看做一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖5-4(a)所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為第七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源。如圖5-4(b)所示。CaUaCaQ(a)(b)圖5-4壓電元件的等效電路（a）電壓源（b）電流源壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣一來(lái)，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖5-5所示。圖5-5壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源（b）電流源CaUaCaQ(a)(b)CcRaRiCiRiCiCcRa第八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.2.2壓電式傳感器的測(cè)量電路1．電壓放大器(阻抗變換器)電壓放大器(阻抗變換器)因其電路簡(jiǎn)單、成本低、工作穩(wěn)定可靠而被采用。目前解決電纜干擾的有效措施是采用與傳感器一體化的超小型阻抗變換器，如圖5-6(a)所示，它用于組合一體化壓電加速度傳感器（ICP型加速度傳感器）。這種傳感器的信號(hào)輸出，可采用普通的同軸電纜，二線(xiàn)制傳輸，中心線(xiàn)接電源正極，屏蔽網(wǎng)接地，這個(gè)電路是做在一塊專(zhuān)用硅片上，安放在傳感器探頭中。采用恒流源供電，2～10mA（12～28VDC），其后續(xù)儀表電路見(jiàn)圖5-7。圖5-6阻抗變換器電路圖第九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-6(b)為國(guó)產(chǎn)ZK一2型阻抗變換器。電路第一級(jí)為MOS場(chǎng)效應(yīng)源輸出器；第二級(jí)用3AX構(gòu)成對(duì)輸入的負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗，降低輸出阻抗。兩只二極管2CP作過(guò)載保護(hù)，并有一定的溫度補(bǔ)償作用。其主要性能指標(biāo)：輸入阻抗大于2000MΩ,，輸出阻抗小于100Ω，頻率范圍2Hz～100kHz，電壓增益±0.05dB，動(dòng)態(tài)范圍200μV～5V。圖5-7中，恒流源PS輸出的4mA電流（各公司產(chǎn)品存在差異），因隔直電容C的作用，全部要通過(guò)加速度傳感器的阻抗變換電路。隨加速度的變化，阻抗也變化，引起阻抗變換電路兩端電壓的變化，電壓的變化通過(guò)電容C，經(jīng)放大器A輸出。當(dāng)無(wú)加速度變化時(shí)，輸出為零。注意：C與R組成了高通濾波器電路，因此應(yīng)根據(jù)需要合理地選擇C、R參數(shù)。

圖5-7ICP型加速度計(jì)測(cè)量電路第十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．電荷放大器電路電荷放大器的電路圖如圖5-8所示。它的特點(diǎn)是，能把壓電器件高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并使其輸出電壓與輸入電荷成正比；而且，傳感器的靈敏度不受電纜變化的影響。圖5-8電荷放大器的具體電路之一圖5-8的電荷放大器電路中通過(guò)頻率fH的上限主要取決于壓電元件的Ca、電纜電容Cc和電纜電阻Rc，它們構(gòu)成第一級(jí)低通濾波器，其上限截止頻率fH按式（5-3）計(jì)算

第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二3．壓電加速度傳感器的集成信號(hào)處理電路TB6066FNG是東芝公司生產(chǎn)的振動(dòng)傳感器集成電路，它集成了100MΩ高輸入阻抗差分放大器、基準(zhǔn)電壓源、緩沖放大器、比較器等電路。工作電源電壓為2.7～5.5V。FB6066振動(dòng)傳感器電路如圖5-9所示。圖5-9TB6066FNG壓電傳感器電路圖第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電式振動(dòng)傳感器S輸出信號(hào)加到TB6066的1腳、16腳，經(jīng)差分放大后從14腳輸出，C3、R1耦合到運(yùn)算放大器A3進(jìn)一步放大后從5腳輸出。5腳輸出的信號(hào)可以送往其他電路，也可以送到6腳與內(nèi)部的比較器進(jìn)行電壓比較，比較后從7腳輸出低電平信號(hào)。電路的外部增益調(diào)節(jié)由R2／R1決定，假設(shè)壓電式傳感器的靈敏度Qs=0.34（Pc/g），R1=10KΩ，R2=100KΩ，欲測(cè)加速度最大值為5g。g為作用于傳感器上的加速度大小，1g=9.8m/s2。各項(xiàng)阻、容參數(shù)的計(jì)算如下：

1）計(jì)算電容C1，C2（pF）公式中的常數(shù)5可能是A3的前級(jí)放大器固定增益為5倍，滿(mǎn)量程5g時(shí)輸出電壓0.4V。第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.3壓電式傳感器的應(yīng)用5.3.1壓電式測(cè)力傳感器

1．單向力傳感器一種用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量的單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。壓電元件采用xy(即x0°)切型石英晶體，利用其縱向壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換。它用兩塊晶片(Φ8mm×1mm)作傳感元件，被測(cè)力通過(guò)傳力上蓋l使石英晶片2沿電軸方向受壓力作用，由于縱向壓電效應(yīng)使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷，兩塊晶片沿電軸方向并聯(lián)疊加，負(fù)電荷由形電極3輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接。兩片并聯(lián)可提高其靈敏度。壓力元件彈性變形部分的厚度較薄，其厚度由測(cè)力大小決定。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小、質(zhì)量輕(僅10g)，固有頻率高（約50～60kHz)，可檢測(cè)高達(dá)5000N的動(dòng)態(tài)力，分辨率為10-3N。第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-11YDS-781壓電式力傳感器1.傳力上蓋；2.石英晶片；3.電極4.底座；5.電極引出頭；6.絕緣材料圖5-12雙向壓電式力傳感器（a）雙向力傳感器；（b）yx切型示意圖第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．雙向力傳感器雙向力傳感器基本用于測(cè)量垂直分力Fx與切向分力Fy，以及測(cè)量互相垂直的兩個(gè)切向分辦，即Fx和Fy。無(wú)論哪一種測(cè)量，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。圖5-12所示為雙向壓電石英晶片的力傳感器結(jié)構(gòu)，兩組石英晶片分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)分力，下面一組采用xy(x0°)切型，通過(guò)dll實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換，測(cè)量軸向力Fx；上面一組采用yx(y0°)切型，晶片的厚度方向?yàn)閥軸方向，在平行于x軸的剪切應(yīng)力σ6(在xy平面內(nèi))的作用下，產(chǎn)生厚度剪切變形。所謂厚度剪切變形是指晶體受剪切應(yīng)力的面與產(chǎn)生電荷的面不共面，如圖5-12(b)所示。這一組石英晶體通過(guò)d26實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量Fy。第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.3.2壓電式加速度傳感器1．工作原理圖5-13所示為壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓電元件由兩塊壓電片(石英晶片或壓電陶瓷片)組成，在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀并焊接輸出引線(xiàn)，或在兩塊壓電片之間夾金屬薄片，輸出引線(xiàn)焊接在金屬薄片上，輸出端的另一根引線(xiàn)直接與傳感器基座相連。在壓電元件上，以一定的預(yù)緊力安裝一慣性質(zhì)量塊，整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中。圖5-13壓電式加速度傳感器第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量時(shí)，通過(guò)基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性地固定在一起，傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng)。由于壓緊在質(zhì)量塊上的彈簧剛度很大，質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，所以質(zhì)量塊也感受與試件相同的振動(dòng)。質(zhì)量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上，壓電元件的兩個(gè)表面就有交變電荷產(chǎn)生，傳感器的輸出電荷(或電壓)與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。2．結(jié)構(gòu)形式壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)形式主要有壓縮型、剪切型和組合型三種。1)壓縮型壓縮型壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。圖5-14(a)為正裝中心壓縮式，質(zhì)量塊和壓電片通過(guò)中心螺栓固緊在基座上形成獨(dú)立的體系，與易受非振動(dòng)環(huán)境干擾的殼體分開(kāi)，殼體僅起防護(hù)和屏蔽作用。第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-14(b)為改進(jìn)型的隔離基座壓縮式，圖5-14(c)為改進(jìn)型的倒裝中心壓縮式，這兩種結(jié)構(gòu)都可以避免基座變形影響。圖5-14(d)為雙筒雙屏蔽的新穎結(jié)構(gòu)，除了外殼起屏蔽作用外，預(yù)載套筒也起內(nèi)屏蔽作用。預(yù)載套筒橫向剛度大，大大提高了傳感器的綜合剛度和橫向抗干擾能力。

圖5-14壓縮型壓電式加速度傳感器第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二2)剪切型剪切型壓電式加速度傳感器，是利用壓電片受剪切應(yīng)力而產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原理制成的，這類(lèi)傳感器的壓電片多采用壓電陶瓷。按壓電片的結(jié)構(gòu)形式不同，又可分為柱形剪切型、三角剪切型、H剪切型等，其結(jié)構(gòu)如圖5-15所示。

圖5-15剪切型壓電式加速度傳感器第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二3）應(yīng)用舉例圖5-16所示為用壓電式加速度傳感器探測(cè)橋墩水下部位裂紋的示意圖。通過(guò)放電炮的方式使水箱振動(dòng)(激振器)，橋墩將承受垂直方向的激勵(lì)，用壓電式加速度傳感器測(cè)量橋墩的響應(yīng)，將信號(hào)經(jīng)電荷放大器進(jìn)行放大后送入數(shù)據(jù)記錄儀，再將記錄下的信號(hào)輸入頻譜分析設(shè)備，經(jīng)頻譜分析后就可判定橋墩有無(wú)缺陷。圖5-16探測(cè)橋墩水下部分裂紋示意圖圖5-16(a)為探測(cè)示意圖。沒(méi)有缺陷的橋墩為一堅(jiān)固整體，加速度響應(yīng)曲線(xiàn)為單峰，如圖5-16(b)所示。若橋墩有缺陷，其力學(xué)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，激勵(lì)后的加速度響應(yīng)曲線(xiàn)將顯示出雙峰或多峰，如圖5-16(c)所示。

第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電式力傳感器土層壓力傳感器壓電陀螺儀壓電傾斜測(cè)量?jī)x第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.4超聲波傳感器及其應(yīng)用5.4.1超聲波的特性人們能聽(tīng)到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz～20KHz范圍內(nèi)。頻率超過(guò)20kHz稱(chēng)為超聲波，低于20Hz稱(chēng)為次聲波。檢測(cè)中常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz到幾十MHz。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，它的波形有縱波、橫波、表面波三種。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱(chēng)為縱波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱(chēng)為橫波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波也橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱(chēng)為表面波。橫波、表面波只能在固體中傳播，縱波可在固體、液體及氣體中傳播。超聲波具有以下基本性質(zhì)。第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，與環(huán)境條件也有關(guān)。在液體中傳播速度為在氣體中，超聲波的傳播速度與氣體種類(lèi)、壓力及溫度有關(guān)，在空氣中傳播速度為C=33l.5+0.607t／℃(m/s)(5-9)2．反射和折射現(xiàn)象超聲波在通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖5-17所示，有如下的關(guān)系：圖5-17超聲波的折射和反射第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二3．傳播中的衰減隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加，介質(zhì)吸收能量使超聲波強(qiáng)度有所衰減。若超聲波進(jìn)入介質(zhì)的強(qiáng)度為I0，通過(guò)介質(zhì)后的強(qiáng)度為I，則它們之間的關(guān)系為

I=I0e－Ad(5-12)式中，d為介質(zhì)的厚度；A為介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收系數(shù)。介質(zhì)的密度越小，衰減越快，頻率高時(shí)則衰減更快。因此，在空氣中常采用頻率較低的超聲波，而在固體、液體中則采用頻率較高的超聲波。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器(包括超聲波的發(fā)射和接收)；配上不同的電路，可制成各種超聲波儀器及裝置，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.4.2超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器是一種可逆換能器，它可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(超聲波的發(fā)射)，也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能(超聲波接收)。1．超聲波傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用超聲波的應(yīng)用主要是利用它的透射和反射特性，利用這種特性，可以測(cè)量出液位的高度，常見(jiàn)的液位測(cè)量方法如圖5-18所示。圖5-18超聲波測(cè)量液位第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二超聲波在某一介質(zhì)中傳播速度一定，遇到兩種介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，所以，只要知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C，測(cè)出超聲波從開(kāi)始發(fā)射至接收到超聲波的這段時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波行進(jìn)的距離，從而得出超聲波探頭到介質(zhì)面的距離L。圖5-18(a)中的測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單，精度較高，但用于石油、化工中的液位測(cè)量就顯得不太方便。此外，這種測(cè)量方法對(duì)傳感器的安全性能要求較高。尤其不適用于那些已經(jīng)盛裝液體的容器。由于化學(xué)工業(yè)中大部分液體具有易燃、易爆、有毒的特點(diǎn)，所以這種方法很難實(shí)現(xiàn)。而圖5-18（b）中在容器殼外的測(cè)量方法就可以克服上述問(wèn)題。第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．超聲波探傷超聲波探傷是無(wú)損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它主要用于檢測(cè)板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷(如裂縫、氣孔、夾渣等)，測(cè)定材料的厚度。超聲波探傷具有檢測(cè)靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到人們普遍的重視，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。超聲波探傷方法很多，最常用的是脈沖反射法。脈沖反射法根據(jù)超聲波波形的不同又分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷。1）縱波探傷縱波探傷使用直探頭。測(cè)試前，先將探頭壓在與被測(cè)件同材質(zhì)等厚的無(wú)缺陷試件上調(diào)整顯示屏，使發(fā)射脈沖T和回波脈沖B的尖峰圖像位于屏幕的兩邊。測(cè)試時(shí)探頭放于被測(cè)工件上，在工件上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，探頭發(fā)出的縱波超聲波以一定速度向工件內(nèi)部傳播，如工件中沒(méi)有缺陷，則超聲波傳到工件底部才發(fā)生反射，在顯示屏上只出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B，如圖5-19（a）所示。

第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二如工件中有缺陷，一部分聲脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底面產(chǎn)生反射。在顯示屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還會(huì)出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖5-19(b)所示。顯示屏上的水平亮線(xiàn)為掃描線(xiàn)(時(shí)間基線(xiàn))，其長(zhǎng)度與工件的厚度成正比(可調(diào))。通過(guò)缺陷脈沖F在顯示屏上的位置可確定缺陷在工件中的位置；通過(guò)缺陷脈沖的幅度的高低可判斷缺陷當(dāng)量的大小，缺陷面積大，缺陷脈沖幅度就高。移動(dòng)探頭還可確定缺陷大致長(zhǎng)度。圖5-19超聲波縱波探傷第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二2）橫波探傷橫波探傷法多采用斜探頭進(jìn)行探傷。超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：超聲波波束中心線(xiàn)與缺陷截面積垂直時(shí)，探頭靈敏度最高，但如遇到如圖5-20所示的缺陷時(shí)，用直探頭探測(cè)雖然可探測(cè)出缺陷存在，但并不能真實(shí)反映缺陷大小。如果用斜探頭探測(cè)，則探傷效果較佳。因此實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同缺陷性質(zhì)、取向，采用不同的探頭進(jìn)行探傷。有些工件的缺陷性質(zhì)及取向事先不能確定，為了保證探傷質(zhì)量則應(yīng)采用幾種不同的探頭進(jìn)行多次探測(cè)。3）表面波探傷圖5-20橫波探傷法圖5-21表面波探傷第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面附近的缺陷存在與否，如圖5-21所示。當(dāng)超聲波的入射角超過(guò)一定值后，折射角可達(dá)到90°，這時(shí)固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近做橢圓軌跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱(chēng)為表面波。當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，表面波被反射回探頭，可以在顯示屏上顯示出來(lái)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前所使用的探傷儀大都采用數(shù)字顯示或點(diǎn)陣液晶顯示，并使用單片機(jī)進(jìn)行處理，從而使探傷儀的準(zhǔn)確度及精度大大提高。第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.4.3超聲波測(cè)距1．超聲波探頭針對(duì)不同的用途，超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和形式有非常多的變化。多數(shù)情況下超聲波測(cè)距是在空氣中進(jìn)行，為適應(yīng)對(duì)探測(cè)范圍、探測(cè)距離的不同要求，超聲波探頭也有多種不同的型號(hào)。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。市售的超聲渡傳感器有專(zhuān)用型和兼用型，專(zhuān)用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器(接收器)即可發(fā)送超聲波(接收超聲波)，又可接收超聲波(發(fā)送超聲波)。市售超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)為23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。在諧振頻率上有最高的發(fā)射功率，諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-22是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)例。它采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷簿膜電極，其上面用引線(xiàn)通過(guò)金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線(xiàn)直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著，這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性；高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，高效應(yīng)地產(chǎn)生高頻電壓。圖5-22超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-23是采用雙晶振子的超聲波傳感器的工作原理示意圖。若在發(fā)送器的雙晶振子上施加40KHz的高頻電壓，壓電陶瓷片a、b就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，送給超聲波接收器就被其接收。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。當(dāng)然這種電壓非常小。要用放大器進(jìn)行放大。

圖5-23超聲波傳感器工作原理示意圖第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二a）通用型超聲波傳感器通用型超聲波傳感器的帶寬一般為幾KHz，具有選頻特性。頻帶窄，靈敏度較高，抗干擾性強(qiáng)。接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開(kāi)使用的。b）寬帶型超聲波傳感器寬帶型超聲波傳感器具有二個(gè)諧振頻率，所以可兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器。在較寬的頻帶內(nèi)，都具有較高的靈敏度。c）密封型超聲波傳感器密封型超聲波傳感器主要用于室外，如汽車(chē)防撞、汽車(chē)測(cè)速等場(chǎng)合。d）高頻型超聲波傳感器低頻超聲波的散射角較大，探測(cè)范圍寬，探測(cè)距離較遠(yuǎn)。當(dāng)遇到尺寸小于半波長(zhǎng)的物體時(shí)會(huì)發(fā)生繞射，對(duì)于細(xì)小物體的探測(cè)就需要高頻型超聲波傳感器。高頻型超聲波傳感器的中心頻率高于100kHz，指向性窄，可以進(jìn)行較高分辨率的測(cè)量。第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．超聲波傳感器的基本電路圖5-24是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實(shí)例。電路中用NPN晶體管VT放大頻率可調(diào)的振蕩器OSC的輸出信號(hào)，放大的信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。超聲波傳感器MA40S2S產(chǎn)生40kHz能量的超聲波。圖5-24采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-25是采用運(yùn)放的超聲波接收電路，電路增益較高。電路輸出為高頻電壓，實(shí)際上后面還要接檢波電路，放大電路以及開(kāi)關(guān)電路等。

圖5-25采用運(yùn)放的超聲波接收電路第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二圖5-26是超聲波發(fā)送接收兩用電路，用一個(gè)超聲波傳感器發(fā)送信號(hào)的同時(shí)還可以接收信號(hào)。

圖5-26超聲波發(fā)送接收兩用電路第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期二3．采用超聲波專(zhuān)用