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1、2023/1/21,1,第五章 超声波传感器,本章主要学习超声波的物理特性，着重了解超声波在检测技术中的一些应用，也涉及无损探伤的设备及方法。,2023/1/21,2,概述：声波的分类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，78Hz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。,2023/1/21,3,2.可闻声波,美妙的音乐可使人陶醉。,2023/1/21,4,3.超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,2023/1/21,5,蝙蝠依靠超声波捕食,2023/1/21,6,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
2、声波加湿器,2023/1/21,7,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,2023/1/21,8,超声波金丝焊接机,2023/1/21,9,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,2023/1/21,10,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 B超影像,2023/1/21,11,超声波用于高效清洗,当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信
3、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。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中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。,2023/1/21,12,超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,2023/1/21,13,第一节 超声波物理基础,频率高于20kH
4、z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。,2023/1/21,14,超声波的波型分类,超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。,2023/1/21,15,纵波,2023/1/21,16,横波,2023/1/21,17,表面波,2023/1/21,18,第二节 超声波换能器及耦合技术,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
5、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。,2023/1/21,19,各种超声波探头（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）,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,2023/1/21,20,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,2023/1/21,21,接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）,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
6、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,2023/1/21,22,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,2023/1/21,23,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，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,2023/1/21,24,各种双晶直探头,焦距范围：540mm,频率范围：2.55MHz，
7、钢中折射角：45 70,2023/1/21,25,接触法双晶斜探头（续）,2023/1/21,26,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。,2023/1/21,27,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。,2023/1/21,28,聚焦探头原理及外形,水浸聚焦探头,2023/1/21,29,超
8、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。,2023/1/21,30,压电陶瓷的主要性能指标,1)介电常数：10006000 2)压电灵敏度D33：300600pC/N 3)机械品质因素Q：1002000 4)居里温度：300400 C 5）静电容：1000 100000pF（与面积有关）6）频率范围：用于超声清洗：30100KHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：12MHz,2023/1/21,31,耦合剂,超声
9、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，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，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、水玻璃、胶水、化学浆糊等。,2023/1/21,32,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,2023/1/21,33,空气超声探头（续）,2023/1/21,34,空气超声探头外形,空气超声探头外形（续）,2023/1/21,36,空气传导超声波电脉冲发生器,
