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1、2022/12/18,1,机电类自动检测技术及应用多媒体课件 （共13章，第七章）统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4课程配套网站www.sensor-或 2012年7月版,第七章 超声波传感器,本章介绍超声波的物理基础，超声波换能器的分类、结构，耦合技术等，介绍超声波在检测技术中的应用，也涉及无损探伤的原理、方法及设备。,2022/12/18,3,7.1 超声波物理基础7.2 超声波换能器及耦合技术7.3 超声波传感器的应用7.4 无损探伤,第七章 超声波传感器 目录,第一节 超声波的物理基础,声波的分类：次声波、可闻声波与超声波。 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波
2、。 超声波的特性：指向性好，能量集中。1MHz的超声波的能量,相当于振幅相同,频率为1000Hz可闻声波的100万倍,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时,能产生明显的反射和折射现象。,1.次声波,次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，8Hz左右的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,次声波炸弹,2.可闻声波（20Hz20kHz）,美妙的音乐可使人陶醉。,280Hz2560Hz频率段称为中高声频。小提琴约有四分之一的较高音域在此频段。,3.超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,蝙蝠依靠超声波定位,
3、超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。,超声波雾化器,超声波加湿器,压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。,超声波塑料焊接机,超声波金丝焊接机,超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。,便携式超声波探鱼器,超声波在医学检查中的应用,胎儿的B超影像,大功率超声波用于高效清洗,当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和
4、高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。,超声波清洗原理及清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,第一节 超声波物理基础,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。,超声波的波型分类,1超声波发生器 2钢材,纵波,纵波质点的运动方向,表面波在钢材表面的传播,
5、纵波在钢材中的传播,横波,纵波（疏密波）纵波。在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。,横波,横波也称“凹凸波”，是介质粒子振动方向和波行进方向垂直的一种波。也称S波,若此波沿着x轴移动，则振动方向为与x轴垂直的方向上。,表面波,能量集中于表面附近的弹性波。地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。,超声波的指向角,几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系（环境温度为0）,2022/12/18,22,超声波的指向角,超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，声场指向性及指向角如图所示。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大
6、而减小。指向角（单位为rad）与超声源的直径D以及波长之间的关系为,超声波入射角与反射角、折射角,Pc入射波 入射角 Pr反射波 r反射角 Ps折射波 折射角,超声波的反射定律,超声波入射角的正弦与反射角 r的正弦之比，等于入射波所处介质的声速c1与反射波所处介质的声速cr之比，即：sin/sinr=c1/cr如果出射波的波型与入射波的波型都是纵波，则r=。,超声波的折射定律,入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于超声波在入射波所处介质1的声速c1与折射波所处介质2中的传播速度cs之比，即sin/sin = c1 /cs在上图中，折射角大于入射角，说明第二介质的声速cs大于第一介质的声速c1（与
7、密度有关）。,超声波的反射率与折射率,当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所示，入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满足如下关系： p i+ pr = pd反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总声压，压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声压pi之比称为声压反射率。,与此对应，透射波声压pd,与入射波声压pi之比称为声压透射率d：Z1介质1的声阻抗；Z2介质2的声阻抗,超声波的反射率与折射率的讨论,1）当介质1与介质2的声阻抗相等或十分接近时，=0，d=1。即不产生反射波，可以视为全透射。2）当超声波从声阻抗（Z1）低的介
8、质射向声阻抗（Z2）高的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相同，但透射声压pd却大于入射声压p i （能量仍然守恒） 。3）当超声波从声阻抗（Z1）大的介质射向声阻抗（Z2）小的介质时，反射声压pr与入射声压pi相位相反，且透射声压pd小于入射声压pi。,例：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求反射率、透射率d。,解 查表7-1可得，Z水=14.8MPasm-1，Z钢=460MPasm-1，则有,以上计算说明，超声波从声阻抗小的材料（密度通常也较小），入射到声阻抗大的材料（密度通常也较大，例如钢）时，透射声压反而增大。本例中，透射率d高达193.8%，而反射率也较大，达93.8%，必须
9、予以吸收，才不至于造成干扰。,注：透射声强Id仍然小于入射声强I i，而且遵守能量守恒定律： I d +I r =Ii,水浸探头在水中将超声波耦合到钢板中的反射率与透射率,水浸探头在水中将超声波耦合到钢板中的反射率与透射率,例： 上例中，当超声波已经在钢板中传播了一段距离l，并到达钢板底面时，若底面是钢、水界面，再求反射率2及透射率d2。解：与上题相反，2水，1钢，所以有：,以上计算表明，超声波从声阻抗大的材料透射到声阻抗小的材料时，声压的大部分被反射。本例中，反射率高达93.8%，透射到水中的声压pd1只有6.2%。如果钢板的底面是与空气交界时，则泄漏量就更小了。超声波的这一特性有利于金属探
10、伤和测厚。,超声波在介质中的衰减,以固体介质为例，设超声波进入介质时的声强为Ii，通过一定距离x的介质后的声强衰减为Ix，衰减系数为K，则有：Ix= I ie -K x,介质的晶粒越粗或密度越小，K 就越大，衰减就越快；频率越高，衰减也越快。气体的密度很小,因此衰减较快，因此在空气中传导的超声波的频率选得较低，约数十千赫。而在固体、液体中则选用较高的超声频率（MHz数量级）。,1超声探头 2耦合剂 3试件 4被测试点,第二节 超声波换能器及耦合技术,a）单晶直探头 b）双晶直探头 c）斜探头1接插件 2外壳 3阻尼吸收块 4引线 5压电晶体 6保护膜 7隔离层 8延迟块 9有机玻璃斜楔块 10
11、耦合剂 11试件,超声波换能器（超声探头）的外形,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。,各种超声波探头,常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,保护膜,被测物上表面,耦合剂,接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波
12、探头）,压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。,底部耐磨材料,接插件,2022/12/18,37,瑞利波和兰姆波,瑞利波：一种界面弹性波。是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波 。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆； 在离表面为 0.2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆,但运动方向与表层相反。,兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内
13、传播，质点作椭圆轨迹运动。多用于金属薄板的无损探伤。选择较短波长的兰姆波有利于缺陷的检出。,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,接触法双晶直探头,将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。 双晶探头的结构虽然复杂些，但检测准确度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路简单。,发射晶片,接收晶片,各种双晶直探头,焦距范围：540mm, 频率范围：2.55MHz，在钢中的折射角：45 70,接触法双晶斜探头（续）,水浸探头（可用自来水作为耦合剂）,选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。,
14、聚焦探头,由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。 聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。,聚焦探头原理及外形,水浸聚焦探头,超声波探头中的压电陶瓷芯片,将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。,压电陶瓷的主要性能指标,(1) 介电常数 ：100
15、06000(2) 压电灵敏度D33 ：300600pC/N( 3) 机械品质因素Q：1002000(4) 居里温度：300400(5）静电容：1000 100000pF（与面积有关）( 6）频率范围(与压电陶瓷的宽厚比有关)： 用于超声清洗：30100kHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：12MHz,超声波探头不能直接在被测物表面摩擦，必须在探头和被测物表面之间加入耦合剂,耦合剂 的种类和选择,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉。 在工业中，经常使
16、用耦合剂，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊等。,空气超声探头,a） 超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,空气超声探头（续）,空气超声探头外形,空气超声探头外形（续）,空气传导超声波电脉冲发生器,第三节 超声波传感器的应用,当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型。,反射型超声波传感器可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,超声波传感器应用举例,
17、超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,超声波传感器应用举例（续）,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,超长距离检测,超声波传感器应用举例（续）,流水线计数,超声波传感器应用举例（续）,超声波流量计,F1发射的超声波先到达 T1F2发射的超声波后到达 T2,测量流量原理分类,时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头
18、（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。,F1发射的超声波到达 F2的时间较短,频率差法测量流量原理： F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测
19、得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被测流速v成正比 。,F2,F1,频率差法测量流量分析过程,首先由F1顺流发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁，被F2接收，F2的输出电压经放大后，再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲，以此类推。在第一个时间段t1里，F1的脉冲重复频率为式中 超声波束与流体的夹角； v 流体的流速； D 管道的直径,频率差法测量流量过程分析（续）,在紧接下去的另一个相同的时间间隔t2(t2=t1)内,与上述过程相反,由F2逆流发射超声脉冲,而F1接收脉冲。可以测得F2的脉冲重复频率为：若不考虑管道的壁厚，则超
20、声脉冲的重复频率差 f 与流速v成正比：而与声速无关，减小了温漂。频率法测得的流速v约等于管道截面的平均流速，所以体积流量qV为：,多普勒法测量流量,所谓多普勒效应（Doppler effect）是指运动物体迎着波源运动时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动物体背着波源运动时，会产生相反的效应。,物体的速度越快,所产生的频偏效应就越大。产生的频偏fd与波源、移动物体两者之间的相对速度v及方向有关。多普勒效应广泛存在于光波(电磁波)、声波等物理现象中。,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。
21、测出f 就可得到运动速度。,水波的多普勒效应示意,波源向左运动时，前进方向的波长变短，频率升高,波源向右运动时，右侧表面波被压缩,2022/12/18,75,多普勒效有关波形,.,多普勒法测量流量示意图,多普勒法测量流量的计算,超声探头F1向流体发出频率为f1的连续超声波，照射到液体中的散射体（悬浮颗粒或气泡）。 v为散射体的运动速度，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收探头F2接收到频率为f2的超声波：多普勒频移fd正比于散射体的流动速度v ：,折算出平均流速，再乘以管道的截面积A，才等于被测体积的流量。,当被测杂质断断续续时，就必须在放大电路之后，引入锁相环，锁存住粒子断续之前的fd。,发
22、射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波仪表有限公司资料）,超声波流量计现场使用,超声波流量计现场使用,超声波的多普勒效应可以用于测量车速现在更多地使用高频雷达电子测速,超声波多普勒测量风速,顺风方向 （频率增加）,不同的风向引起两对超声波的频率变大或变小。经过单片机计算可以得到风速和风向。,发射器,接收器,发射器,接收器,超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。,超
23、声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度 ：,手持式超声波测厚仪,手持式超声波测厚仪（续）,手持式超声波测厚仪（续）,金属构件测厚,某超声波测厚仪指标,显示方法12832 LCD点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm示值精度：0.1mm 声速范围：10009999m/s测量周期：2次/s 自动关机时间：90s 电源：二节七号（AAA）电池 可连续工作不少于7
24、2h 使用温度：-1040存储温度：-2070外形尺寸：1086125mm重量：230g （含电池）,超声波测厚（续）,石料测厚,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,双晶超声波测厚探头,双晶超声波测厚探头（续）,2022/12/18,94,利用空气传导的超声波发射器向下发射一个短时脉冲，单片机立即转向等待反射波。当另一个空气传导的超声波探头接收到反射波后并经放大后，单片机立即响应中断，处理中断子程序。计算出发射到接收的时间t，按右式计算出探头与人体头部之间的距离x，就可以得到人的身高h。应变测重传感器器安装在脚底部的踏板上。,超声波非接触式测量人的身高原理示意图,x,h,
25、2022/12/18,95,单片机可以扣除头发的影响，但皮鞋的高度较难自动扣除,2022/12/18,96,超声波测量人的身高的参考电路,.,2022/12/18,97,超声波测量人的身高设备的外形及流程图,.,超声波测量液位和物位原理,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,超声波液位计原理,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,例 超声波液位计原理如图所示，从显示屏上测得t0=2ms，th1=5.6ms。已知水底与超声探头的间距h2为10m，反射小板与探头的间距h0为0.34m，求液位h。解：,所以液位h为h=h2-h1=(
26、10-0.95)m=9.05m,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下半部分为接收电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。,第四节 无损探伤,一、无损探伤的基本概念人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故。涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。,路轨断裂事故,无损探伤一般有三种含义,无损检测NDT（Nondestructive Tsting）、无损检查NDI（N
27、ondestructive Inspection）和无损评价NDE（Nondestructive Evaluation）。NDT仅仅是检测出缺陷；NDI则以NDT结果为判定基础；而NDE则是对被测对象的完整性、可靠性等进行综合评价。近年来，无损探伤已逐步从NDT向NDE过渡。,简介无损探伤的几种方法,对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。 无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（X光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。,磁粉检测法（对内部裂纹的检测灵敏度不高）,磁悬液,磁粉检测仪,将磁悬液喷洒在工件表面，将电流检测
28、头压在在被测工件上，通以百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。,X光探伤（有辐射危险）,将X光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后接通高电压，产生X光，透过被测钢构件，成像到感光片上。将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。,使用CCD光电图像传感器，可以直接将成像结果显示在电脑屏幕上。,计算机断层成像技术(CT)探伤,CT 是基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，解决了传统X射线摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。,CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）,超声波探伤,超声波探伤是目前应
29、用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是X光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,耦合剂,A型超声波探伤仪,A型超声波探伤仪示意图,1电缆插头座 2工作方式选择 3衰减细调 4衰减粗调 5发射波T 6第一次底反射波B1 7第二次底反射波B2 8第五次底反射波B5 9扫描时间调节 10扫描时间微调 11脉冲X轴位置设定 12报警扬声器 13直探头,A型超声波探伤原理动画,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,2022/12/18,114,超声探伤仪,2022/12/18,115,构件的超声探伤,2022/12/18,116,构件的超声探伤（续
30、）,裂纹,2022/12/18,117,构件的超声探伤(续),2022/12/18,118,探头回波脉冲形状和频谱包络,2022/12/18,119,超声探伤例题,设：显示器的X 轴为10s/div (格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t 及tF ； 2）钢板的厚度 及缺陷与表面的距离xF 。,2022/12/18,120,超声探伤和厚度的分析,解：1)B波与T波的时间间隔为t=610s=60s；tF = 210s=20s2)钢板的厚度 =(C钢tF)=(59006010-6)=0.18m3)缺陷与表面的距离xF的计算与上述同理。,2022/12/18,121
31、,管道环焊缝超声波检测装置,管道环焊缝超声波检测装置原理,2022/12/18,122,手推钢轨探伤车（续）,2022/12/18,123,手推钢轨探伤车（续）,钢轨探伤车,滑板式探头,2022/12/18,125,高速钢轨探伤车,2022/12/18,126,铁路钢轨探头,铁路钢轨对接焊缝探测用探头,缺陷,铁路钢轨探伤用滑板式探头,焊缝,钢轨探伤车轮,铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）,2022/12/18,128,钢轨探伤车轮,.,2022/12/18,129,钢轨探伤车的下挂探伤小车,.,2022/12/18,130,钢轨探伤车的下挂探伤小车放大图,2022/12/18,131,钢轨探伤自动对中系统简图,.,休息一下,2022/12/18,133,1,2,
