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1、基本原理：利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。测量对象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等,基于反射原理的示意图,一、概述,7.1 超声波传感器,1、超声波及其基本特性,波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。频率：次声波、声波、超声波、微波,次声波：低于16 Hz的机械波；声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：高于2104 Hz的机械波；微波：频率在310831011 Hz之间的波；,2、超声波的波型及其转换和波速,纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致。（固、液、气）横波：质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）表面波
2、：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）,L入射纵波；L1 反射纵波；L2 折射纵波 S1 反射横波；S2折射横波。,超声波的传播速度,取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。,在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为,E 杨氏模量；泊松比；G 剪切弹性模量。,3、超声波的反射和折射,当波速一致时,（2）折射定律,c1入射声波速；c2折射声波速,（1）反射定律,4、声波的衰减,超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为,P0、I0 声波在x=0处的声压和声强；P、I 声波在x处的声压和声强；衰减
3、系数。,应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。,超声波的衰减程度与介质及超声波的频率有关。与介质有关 气体对超声波吸收最强而衰减最大，液体次之，固体吸收最小而衰减最小。与超声波的频率有关 频率越高，衰减越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。,二、超声波传感器,1、定义：能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。特点：精度高，被测物体不受影响。,2、分类,结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式,3、压电式传感
4、器,超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电信号,三、超声波传感器的应用,1、超声波测厚 脉冲回波法：,续：超声波测厚,主控制器,脉冲发送电路,接收电路,探头,标准振荡电路,计数电路,2、液位测量,通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。,液位计,3、超声波探伤,穿透法探伤：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。反射法探伤：反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲
5、反射法两种。,（1）穿透法探伤,优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。,穿透法探伤原理,（2）一次脉冲反射法,一次脉冲反射法探伤原理,（3）多次脉冲反射法,多次脉冲反射法探伤原理,4、超声流量计,理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。测量方法：时差法、相位差法；频率差法等。,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（F1，T1）、（F2，T2）。其中（F1，T1）的超声波是顺流
6、传播的，而（F2，T2）的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差t、相位差或频率差f等方法，可测量出流体的平均速度及流量。,超声波流量传感器工作原理,时差法,超声波传感器安装位置,C 超声在流体中的速度；V 流体的平均流速。,（1）时差法测流量,（3）频率差法测流量,（2）相位差法测流量,B型超声波诊断仪,超声波诊断仪 超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波(主要采用纵波)，然后接收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。超声波诊断仪最常用的有A型超声波诊断仪、M型超声波心电
7、图仪和B型超声波断层显像仪等。A型超声波诊断仪（脑中线测量、眼科）A型超声波诊断仪又称为振幅(Amplitude)型诊断仪，其原理类似示波器，所不同的是在垂直通道中增加了检波器，以便把正负交变的脉冲调制信号变成单向的视频脉冲信号。同步电路产生50Hz20kHz的同步脉冲，该脉冲触发扫描电路产生锯齿波电压信号，齿波电压信号的频率与超声波的频率相同，而且与视频信号同步。,发射电路在同步脉冲作用下，产生一高频调幅振荡，即产生幅度调制波(正弦填充脉冲)。,发射电路一方面将调幅波送入高频放大器放大，使荧光屏上显示发射脉冲(如荧光屏上的第一个脉冲)，另一方面将调幅波送到超声波探头激励探头产生一次超声振荡，
8、超声波进入人体后的反射波由探头接收并转换成电压信号，该电压信号经高频放大器放大、检波、功率放大，在荧光屏上将显示出一系列的回波，它们代表着各组织的特性和状况。,M型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪主要用于运动(Motion)器官的诊断，常用于心脏疾病的诊断，故又称为超声波心电图仪。它是在A型超声波诊断仪的基础上发展起来的一种辉度调制式仪器。它与A型超声波诊断仪的不同点是M型的发射波和回波信号不是加到示波管的垂直偏转板上，而是加到示波管的栅极或阴极上来控制到达示波管的电子束的强度。脉冲信号幅度高，荧光屏的光点亮；反之，光点暗。光点的纵坐标代表与回波信号相对应的点到体表的距离，横坐标则表示不同时刻。
9、这种显示方式最适用于观察运动器官的动作情况。,各层组织与探头的距离不同，在荧光屏上会呈现随心脏搏动而上下摆动的一系列光点，当代表时间的扫描线沿水平方向从左至右等速移动时，上下摆动的光点便横向展开，得到心动周期、心脏各层组织结构随时间变化的活动曲线，这就是超声心电图。,实际操作时，将探头固定在某一部位，如心脏部位。由于心脏搏动，,由M型显示得到的位移曲线，对时间微分可以得到速度曲线和加速度曲线，如下图所示。利用这些成套曲线，比较容易判断某些运动器有疾病。,B型超声波诊断仪 B型超声波诊断仪(简称为B超，其成像方式称为B型成像方式)是在M型诊断仪的基础上发展起来的辉度调制(Brightness M
10、odulation)式诊断仪。B型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的物体断面的图像，声束沿z方向传播，沿x方向扫描，逐次照射物体的不同区域，并接收声束所,达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度，从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度 对应的图像。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。,B超所使用的换能器多为线阵聚焦/扫描型，典型阵元数为256，外形如右下图所示。,左下图是肾脏的B超图像,虽然B型和M型诊断同属辉度调制式仪器，但是存在两个显著的不同点：(1)当M型超声波诊断仪工作时，探头固定在某一点，超声波定向发射；而B型超声波诊断仪工作时，探头是连续移动，或者
11、探头不动而发射的超声波束不断地变动传播方向。探头由人手移动的称之为手动扫描，用机械移动的称之为机械扫描，用电子线路变动超声波束方向的称之为电子扫描。实际工作是这两种扫描的联合动作。(2)M型超声波诊断仪显示的是超声心电图像，而B型超声诊断仪显示的是人体组织的二维断层图像。B型超声诊断仪要接收两种信息，一种是超声回波的强度信息，另一种超声探头的位置信息。由探头发射和接收的超声波经电路处理后，将视频脉冲输送到存储示波管的栅极进行调解。此外，把探头在空间的某一位置定为参考位置，偏离参考位置的角度经位置传感器转换成电压加至示波管的X，Y偏转板上，使得探头移动线(声束截面上反射组织的X-Y位置)与荧光屏上亮点的X-Y位置相对应，于是在荧光屏上便可显示出人体内器官的影像图。超声波还可以测量液（物）位（实际上是测距，原理与测厚相同）、硬度、流速（流量）等。,
