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1、第5章 超声波传感器,5.1 超声检测的物理基础,振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在202104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于20 Hz的机械波，称为次声波；高于2104 Hz的机械波，称为超声波，如图5-1所示。5.1.1 波的反射和折射当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同时，波速相等，入射角即等于反射角，如图5-2所示。当波在界面外产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等
2、于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即,下一页,返回,5.1 超声检测的物理基础,(5-1)5.1.2 超声波的波型及其转换当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传播。当声波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图5-3所示。在一定条件下，
3、还能产生表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律，即,上一页,下一页,返回,5.1 超声检测的物理基础,(5-2)式中 入射角；1、2纵波与横波的反射角；、纵波与横波的折射角；cL、cL1、cL2、入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度；、反射介质与折射介质内的横波速度。如果介质为液体或气体，则仅有纵波。5.1.3 声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。,上一页,下一页,返回,5.1 超声检测的物理基础,在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下(5-3)(5-4)式中 p0、I0距声源x=0处的声
4、压和声强；e自然对数的底；衰减系数，单位为Np/cm(奈培/厘米)。,上一页,返回,5.2 超声波探头,超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为最常用。图5-4所示为压电式探头结构图，其核心部分为压电晶片，利用压电效应实现声、电转换。,返回,5.3 超声波检测技术的应用,5.3.1 超声波测厚度超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法、脉冲回波法等。图5-5所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路，使探
5、头发出的超声波到达被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间标记脉冲信号，同时加到该垂直偏转板上。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔t。被测物体的厚度h为h=ct/2(5-5)式中 c超声波的传播速度。,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,我国20世纪60年代初期自行设计了CCH-J-1型表头式超声波测厚仪，近期又采用集成电路制成数字式超声波测厚仪，其体积小到可以握在手中，重量不到1kg，精度可达0.01mm。5.3.2 超声波测液位在化工、石油和水电等部门，超声波被广泛用于油
6、位、水位等的液位测量。图5-6所示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介式、单探头气介式、单探头固介式和双探头液介式等数种。,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,在生产实践中，有时只需要知道液面是否升到或降到某个或几个固定高度，则可采用图5-7所示的超声波定点式液位计，实现定点报警或液面控制。图5-7(a)、(b)为连续波阻抗式液位计的示意图。由于气体和液体的声阻抗差别很大，当探头发射面分
7、别与气体或液体接触时，发射电路中通过的电流也就明显不同。因此利用一个处于谐振状态的超声波探头，就能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体。图5-7(c)、(d)为连续波透射式液位计示意图。图中相对安装的两个探头，一个发射，另一个接收。当发射探头发生频率较高的超声波时，只有在两个探头之间有液体时，接收探头才能接收到透射波。由此可判断出液面是否达到探头的高度。,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,5.3.3 超声波测流量利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量结果不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的，从而可以测量流量的工作原理如图5-8所
8、示。图中v为流体的平均流速，为超声波传播方向与流体流动方向的夹角，A、B为两个超声波探头，L为其间隔距离。1.时差法测流量采用测量两接头超声波传播时间和相位上的变化等方法，可求得流体的流速和流量。图5-8所示为超声波测流体流量原理图。当A为发射探头、B为接收探头时，超声波传播速度为c+vcos，于是顺流传播时间t1为,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,(5-6)式中 c超声波在静止流体中的速度。当B为发射探头、A为接收探头时，超声波传播速度为c-vcos，于是逆流传播时间t2为(5-7)时差(5-8)由于cv，于是式(5-8)可近似为,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测
9、技术的应用,(5-9)流体的平均流速为(5-10)该测量方法精度取决于t的测量精度，同时应注意c并不是常数，而是温度的函数。2.相位差法测流量当A为发射探头、B为接收探头时，接收信号相对发射信号的相位角1(当1很小时)为(5-11)式中 超声波的角频率。,上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,当B为发射探头、A为接收探头时，接收信号相对发射超声波的相位角2为(5-12)相位差(5-13)同样由于cv，于是式(5-13)可近似为(5-14)流体的平均流速为(5-15),上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,该法以测相位角代替上一种方法的精确测量时间，因而可以进一步提高
10、测量精度。3.频率差法测流量当A为发射探头、B为接收探头时，超声波的重复频率f1为(5-16)当B为发射探头、A为接收探头时，超声波的重复频率f2为(5-17)频率差(5-18),上一页,下一页,返回,5.3 超声波检测技术的应用,流体的平均流速为(5-19)当管道结构尺寸和探头安装位置一定时，式(5-19)中L/2cos为常数，v直接与f有关，而与c值无关。可见该法将能获得更高的测量精度。超声波检测的应用十分广泛。除上述应用外，还广泛用于无损检测。由换能器构成的声纳，可探测海洋舰船、礁石和鱼群等。,上一页,返回,图5-1 超声波的频率界限图,返回,图5-2 声波的反射和折射,返回,图5-3 波型转换图,入射波；,1反射纵波；,2折射纵波；S1反射横波；S2折射横波,返回,图5-4 压电式超声探头结构图,1压电片；2保护膜；3吸收块；4接线；5导线螺杆；6绝缘柱；7接触座；8接线片；9压电片座,返回,图5-5 声波测厚工作原理图,返回,图5-6 脉冲回波式超声液位测量,(a)单探头液介式；(b)单探头气介式；(c)单探头固介式；(d)双探头液介式,返回,图5-7 超声波定点式液位计,返回,图5-8 超声波测流量的原理图,返回,
