1、南京信息工程大學(xué)南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院儀器系任課教師：劉任課教師：劉 佳佳 TelEmail：超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的概念超聲波的概念 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)。振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)。 聲波是一種能在氣體、液體、固體中傳播的機(jī)械波。聲波是一種能在氣體、液體、固體中傳播的機(jī)械波。 根據(jù)聲波頻率的范圍，聲波可分為次聲波、聲波和超聲波。根據(jù)聲波頻率的范圍，聲波可分為次聲波、聲波和超聲波。 聲波頻率在聲波頻率在 16-2 16-210104 4Hz Hz 之間、能為人耳所聞的機(jī)械波之間、能為人耳所聞的機(jī)械波 次聲波：頻率低于次聲波：頻率低于1

2、6 Hz 16 Hz 的機(jī)械波的機(jī)械波 超聲波：頻率高于超聲波：頻率高于2 210104 4HzHz的機(jī)械波的機(jī)械波 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系2超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系3超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系4 次聲波是頻率低于次聲波是頻率低于1616赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，人體器官發(fā)生共振，7-8Hz7-8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停

3、止跳動(dòng)。次聲波次聲波超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系5美妙的音樂可使人陶醉美妙的音樂可使人陶醉次聲波次聲波超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系6蝙蝠能發(fā)出和蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。聽見超聲波。超聲波超聲波超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系7蝙蝠依靠超聲波捕食蝙蝠依靠超聲波捕食超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的概念超聲波的概念 超聲波波長(zhǎng)、頻率與速度的關(guān)系為：超聲波波長(zhǎng)、頻率與速度的關(guān)系為：信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系8 超聲波的特性是頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小。超聲波的特性是頻率高、波長(zhǎng)短、繞

4、射現(xiàn)象小。 它它最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，穿透本領(lǐng)大，碰到介質(zhì)分界面會(huì)產(chǎn)生明顯的反射和折射，穿透本領(lǐng)大，碰到介質(zhì)分界面會(huì)產(chǎn)生明顯的反射和折射，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)中。因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)中。cf超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的波形超聲波的波形 由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波型也有所不同。通常有：聲波的波型也有所不同。通常有： 縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。它能在縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中

5、傳播。固體、液體和氣體中傳播。 橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。它只能在固橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播。體中傳播。 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞅砻娌ǎ嘿|(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波。表面波隨深度增加衰減播，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。表面波隨深度增加衰減很快，只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ榱藴y(cè)量各種狀態(tài)下的物理很快，只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ榱藴y(cè)量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。量，多采用縱波。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系9超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系

6、10縱縱波波超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系11橫波橫波 超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系12表面波表面波超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度 縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344 344 m/sm/s，液體中聲速為，液體中聲速為900-1900m/s900-1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一

7、定關(guān)系。面波三者的聲速成一定關(guān)系。 通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波聲速通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90% 90% 。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系13超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系14。超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系15。超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的衰減超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和

8、聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系160 xPPe20 xII e00PI、- -距聲源距聲源x=0處的超聲波聲壓和聲強(qiáng)處的超聲波聲壓和聲強(qiáng)超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的衰減超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播，能量的衰減決定于超聲波的擴(kuò)散、超聲波在介質(zhì)中傳播，能量的衰減決定于超聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。散射和吸收。 聲波擴(kuò)散引起的衰減聲波擴(kuò)散引起的衰減 在理想介質(zhì)中，超聲波的衰減僅來自于超聲波的擴(kuò)散。由在理想介質(zhì)中，超聲波的衰減僅來自于超聲波的擴(kuò)散。由于聲波擴(kuò)散能量逐漸分散，使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播于聲波

9、擴(kuò)散能量逐漸分散，使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱，并且聲壓強(qiáng)也隨之減弱。距離的增加而減弱，并且聲壓強(qiáng)也隨之減弱。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系17超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波的衰減超聲波的衰減 散射引起的衰減散射引起的衰減 聲波在傳播過程中遇到不同聲阻抗介質(zhì)組成的界面時(shí)，聲波在傳播過程中遇到不同聲阻抗介質(zhì)組成的界面時(shí)， 將將產(chǎn)生散射，產(chǎn)生散射， 實(shí)際材料的金屬結(jié)晶組織的不均性或界面的晶粒粗實(shí)際材料的金屬結(jié)晶組織的不均性或界面的晶粒粗大引起的散射，大引起的散射， 使部分超聲波能量以熱能的形式損耗。使部分超聲波能量以熱能的形式損耗。 介質(zhì)吸收引起的衰減介質(zhì)吸收引起的

10、衰減 由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦， 從而將消耗部從而將消耗部分聲能，分聲能， 并且介質(zhì)的熱傳導(dǎo)及介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間的熱并且介質(zhì)的熱傳導(dǎo)及介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間的熱交換都能導(dǎo)致聲能的損耗。交換都能導(dǎo)致聲能的損耗。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系18超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理 要以超聲波作為檢測(cè)手段，必須能產(chǎn)生超聲波和接收超聲要以超聲波作為檢測(cè)手段，必須能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。超聲波傳感器按波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器。超聲波傳感器按其工作原理

11、，可分為壓電式、磁致伸縮式其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式 、電磁式等，以壓電、電磁式等，以壓電式最為常用。式最為常用。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系19超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理l壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。常用的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。作的。常用的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。 根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)生器生器( (發(fā)射探頭發(fā)射探

12、頭) ) 和接收器和接收器( (接收探頭接收探頭) ) 兩種。兩種。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系20超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理l壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波發(fā)生器是利用壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。波最強(qiáng)。 壓電式超聲波傳感器可以產(chǎn)生幾十千赫到幾十兆赫

13、的壓電式超聲波傳感器可以產(chǎn)生幾十千赫到幾十兆赫的高頻超聲波，其聲強(qiáng)可達(dá)幾十瓦每平方厘米。高頻超聲波，其聲強(qiáng)可達(dá)幾十瓦每平方厘米。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系21超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理l壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。 當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后

14、送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。 壓電式超聲波接收器的結(jié)壓電式超聲波接收器的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)傳感器兼作發(fā)生構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)傳感器兼作發(fā)生器和接收器兩種用途。器和接收器兩種用途。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系22超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理l壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 典型的壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)主典型的壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)主要由壓電晶片、吸收塊要由壓電晶片、吸收塊( (阻尼塊阻尼塊) )、保護(hù)、保護(hù)膜等組成。膜等組成。 壓電晶片多為圓板形，超壓電晶

15、片多為圓板形，超聲波頻率與其厚度成反比。壓電晶片的聲波頻率與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電的極板，底面兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測(cè)件直接接觸而磨損壓電晶片，器與被測(cè)件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下粘合一層保護(hù)膜。吸收塊在壓電晶片下粘合一層保護(hù)膜。吸收塊的作用是降低壓電晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸的作用是降低壓電晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收超聲波的能量。收超聲波的能量。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系23超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理l磁致伸縮式超聲波傳感器磁致伸

16、縮式超聲波傳感器 鐵磁材料在交變的磁場(chǎng)中沿著磁場(chǎng)方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，鐵磁材料在交變的磁場(chǎng)中沿著磁場(chǎng)方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱即材料伸長(zhǎng)縮短的程稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱即材料伸長(zhǎng)縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，如果度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，如果先加一定的直流磁場(chǎng)，再通以交變電流時(shí)，它可以工作在特性先加一定的直流磁場(chǎng)，再通以交變電流時(shí)，它可以工作在特性最好的區(qū)域。最好的區(qū)域。 磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鉆釩合金磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率范圍較窄，僅在

17、幾萬赫和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作效率范圍較窄，僅在幾萬赫茲以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬瓦，聲強(qiáng)可達(dá)幾千瓦每平方毫米，且茲以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬瓦，聲強(qiáng)可達(dá)幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。能耐較高的溫度。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系24超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理l磁致伸縮式超聲波傳感器磁致伸縮式超聲波傳感器 磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生出超聲波。它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生出超聲波。它是用幾個(gè)厚為它是用幾個(gè)

18、厚為0.1-0.4mm的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等。流損失，其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等。 磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時(shí)，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(chǎng)縮材料上時(shí)，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(chǎng)( ( 即導(dǎo)磁即導(dǎo)磁特性特性) ) 發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示里便獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。出

19、來。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系25超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系26耦合劑耦合劑 超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿經(jīng)常使

20、用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化合劑有自來水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。學(xué)漿糊等。 超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系27各種超聲波探頭各種超聲波探頭 （以下參考常州（以下參考常州市常超檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）市常超檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系28v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系29v超聲波傳感器的應(yīng)

21、用超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚 在脈沖回波法測(cè)量試件厚度時(shí)，超聲波探頭與被測(cè)試件在脈沖回波法測(cè)量試件厚度時(shí)，超聲波探頭與被測(cè)試件某一表面相接觸。由主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送某一表面相接觸。由主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后加在超聲波探頭上，從而激勵(lì)超往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后加在超聲波探頭上，從而激勵(lì)超聲波探頭產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測(cè)試件另一聲波探頭產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測(cè)試件另一表面后反射回來，被同一探頭接收。若已知超聲波在被測(cè)試表面后反射回來，被同一探頭接收。若

22、已知超聲波在被測(cè)試件中的傳播速度件中的傳播速度v，設(shè)試件厚度為，設(shè)試件厚度為 d，脈沖波從發(fā)射到接收的，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔時(shí)間間隔t可以測(cè)量，則可求出被測(cè)試件厚度為可以測(cè)量，則可求出被測(cè)試件厚度為信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系302v td超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚 用超聲波傳感器測(cè)量零件厚度，具有測(cè)量精度高，操作用超聲波傳感器測(cè)量零件厚度，具有測(cè)量精度高，操作安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)試儀器輕便安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)試儀器輕便等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于聲衰減很大的材料，以及表面凹凸等

23、諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于聲衰減很大的材料，以及表面凹凸不平或形狀極不規(guī)則的零件，利用超聲波實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量比較不平或形狀極不規(guī)則的零件，利用超聲波實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量比較困難。困難。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系31超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系32手持式超聲波測(cè)厚儀手持式超聲波測(cè)厚儀超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系33石料測(cè)厚石料測(cè)厚超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系34混凝土測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴小提琴 木料測(cè)厚木料測(cè)厚超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系35

24、超聲波測(cè)距超聲波測(cè)距 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t t，再乘以空氣的聲速（，再乘以空氣的聲速（340m/s340m/s），就是超聲脈沖），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2 2就得到距離。就得到距離。 超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)物位 存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱

25、為液位；存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位；固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位。兩者固體顆粒、粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位。兩者統(tǒng)稱為物位。統(tǒng)稱為物位。 超聲波測(cè)量物位是根據(jù)超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反超聲波測(cè)量物位是根據(jù)超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而工作的。射特性而工作的。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系36超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)物位 根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，超聲波物位傳感器可根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，超聲波物位傳感器可分為單換能器和雙換能器兩種。單換能器在發(fā)射和接收

26、超聲分為單換能器和雙換能器兩種。單換能器在發(fā)射和接收超聲波時(shí)均使用一個(gè)換能器，而雙換能器對(duì)超聲波的發(fā)射和接收波時(shí)均使用一個(gè)換能器，而雙換能器對(duì)超聲波的發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。各由一個(gè)換能器擔(dān)任。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系37超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)物位 超聲波傳感器可放置于水中，讓超聲波在液體中傳播。超聲波傳感器可放置于水中，讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使產(chǎn)生的超聲波脈由于超聲波在液體中衰減比較小，所以即使產(chǎn)生的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播。沖幅度較小也可以傳播。 超聲波傳感器也可以安

27、裝在液面的上方，讓超聲波在空超聲波傳感器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的氣中傳播。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器衰減比較厲害。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物位的測(cè)量。面的位置，利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物位的測(cè)量。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系38超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)物位超

28、聲波測(cè)物位 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系39超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)物位 對(duì)于單換能器來說，超聲波從發(fā)射到液面，又從液面反對(duì)于單換能器來說，超聲波從發(fā)射到液面，又從液面反射回?fù)Q能器的時(shí)間間隔為：射回?fù)Q能器的時(shí)間間隔為：信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系402htv 2v th 對(duì)于雙換能器來說，超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程對(duì)于雙換能器來說，超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為為2s2v ts。22hsas超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離a兩換能器間距之半兩換能器間距之半超聲波傳感器超聲波傳感器超聲波

29、傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)物位 超聲波物位傳感器具有精度高、使用壽命長(zhǎng)、安裝方超聲波物位傳感器具有精度高、使用壽命長(zhǎng)、安裝方便、不受被測(cè)介質(zhì)影響、可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)場(chǎng)所的非接觸連續(xù)測(cè)便、不受被測(cè)介質(zhì)影響、可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)場(chǎng)所的非接觸連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，量等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為士士0.1% ，測(cè)量范圍為，測(cè)量范圍為10-2-104m。 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系41超聲波傳感器超聲波傳

30、感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系42 在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。液體的液面。 超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)流量超聲波測(cè)流量 超聲波測(cè)量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜超聲波測(cè)量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同的特點(diǎn)，從而求得流體的止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同的特點(diǎn)，從而求得流體的流速和流量。流速和流量。 圖中圖中v為被測(cè)流體的平均流速，為被測(cè)流體的平均流速

31、，c為超聲波在靜止流體中的傳為超聲波在靜止流體中的傳播速度，播速度， 為超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角為超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角( ( 必須必須小于小于 90 度度),),A、B 為兩個(gè)超聲波換能器，為兩個(gè)超聲波換能器，L為兩者之間距離為兩者之間距離。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系43超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波測(cè)流量超聲波測(cè)流量時(shí)差法時(shí)差法相位差法相位差法頻率差法頻率差法 信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系44 超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了非超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量。

32、它可測(cè)流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高黏接觸測(cè)量。它可測(cè)流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)度的流體、漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)可用來對(duì)自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)量。超聲波流量計(jì)可用來對(duì)自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量，還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測(cè)量。行測(cè)量，還可用于下水道、農(nóng)業(yè)灌溉、河流等流速的測(cè)量。超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系45同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用 超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系

33、46超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷穿透法探傷穿透法探傷 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系47超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷穿透法探傷穿透法探傷 該方法采用兩個(gè)超聲波換能器，分別置于被測(cè)工件相該方法采用兩個(gè)超聲波換能器，分別置于被測(cè)工件相對(duì)兩個(gè)表面，其中一個(gè)發(fā)射超聲波，另一個(gè)接收超聲波。對(duì)兩個(gè)表面

34、，其中一個(gè)發(fā)射超聲波，另一個(gè)接收超聲波。 發(fā)射超聲波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖信號(hào)。發(fā)射超聲波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖信號(hào)。 當(dāng)被測(cè)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，接收到的超聲波能量大，顯當(dāng)被測(cè)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，接收到的超聲波能量大，顯示儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，部分能量被反射，示儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，部分能量被反射，因此接收到的超聲波能量小，顯示儀表指示值小。因此接收到的超聲波能量小，顯示儀表指示值小。 根據(jù)這根據(jù)這個(gè)變化，即可檢測(cè)出工件內(nèi)部有無缺陷。個(gè)變化，即可檢測(cè)出工件內(nèi)部有無缺陷。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系48超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用

35、l超聲波無損探傷超聲波無損探傷反射法探傷反射法探傷 反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。 它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系49超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷反射法探傷反射法探傷信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系50超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷反射法探傷反射法探傷信息與

36、控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系51 測(cè)試時(shí)，將超聲波探頭放于被測(cè)工件上，并在工件上來回測(cè)試時(shí)，將超聲波探頭放于被測(cè)工件上，并在工件上來回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。由高頻脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。由高頻脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖( (發(fā)射脈沖發(fā)射脈沖T) T) 加在加在超聲波探頭上，激勵(lì)其產(chǎn)生超聲波。探頭發(fā)出的超聲波以一定超聲波探頭上，激勵(lì)其產(chǎn)生超聲波。探頭發(fā)出的超聲波以一定速度向工件內(nèi)部傳播。其中，一部分超聲波遇到缺陷時(shí)反射回速度向工件內(nèi)部傳播。其中，一部分超聲波遇到缺陷時(shí)反射回來，產(chǎn)生缺陷脈沖來，產(chǎn)生缺陷脈沖F F，另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面后也反，另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面后也反射回來，產(chǎn)生

37、底脈沖射回來，產(chǎn)生底脈沖B B。缺陷脈沖。缺陷脈沖F F和底脈沖和底脈沖B B被探頭接收后變?yōu)楸惶筋^接收后變?yōu)殡娒}沖，并與發(fā)射脈沖電脈沖，并與發(fā)射脈沖T T一起經(jīng)放大后，最終在顯示器熒光屏上一起經(jīng)放大后，最終在顯示器熒光屏上顯示出來。顯示出來。超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷反射法探傷反射法探傷信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系52 通過熒光屏即可探知工件內(nèi)是否存在缺陷、缺陷大小及位通過熒光屏即可探知工件內(nèi)是否存在缺陷、缺陷大小及位置。若工件內(nèi)沒有缺陷，則熒光屏上只出現(xiàn)發(fā)射脈沖置。若工件內(nèi)沒有缺陷，則熒光屏上只出現(xiàn)發(fā)射脈沖T T

38、和底脈沖和底脈沖B B，而沒有缺陷脈沖，而沒有缺陷脈沖F F；若工件中有缺陷，則熒光屏上除出現(xiàn)發(fā)；若工件中有缺陷，則熒光屏上除出現(xiàn)發(fā)射脈沖射脈沖T T和底脈沖和底脈沖B B之外，還會(huì)出現(xiàn)缺陷脈沖之外，還會(huì)出現(xiàn)缺陷脈沖F F。熒光屏上的水平。熒光屏上的水平亮線為掃描線亮線為掃描線( (時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)) )，其長(zhǎng)度與時(shí)間成正比。由發(fā)射脈沖、，其長(zhǎng)度與時(shí)間成正比。由發(fā)射脈沖、缺陷脈沖及底脈沖在掃描線上的位置，可求出缺陷位置。由缺缺陷脈沖及底脈沖在掃描線上的位置，可求出缺陷位置。由缺陷脈沖的幅度，可判斷缺陷大小。當(dāng)缺陷面積大于超聲波聲束陷脈沖的幅度，可判斷缺陷大小。當(dāng)缺陷面積大于超聲波聲束截面時(shí)，超

39、聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只出現(xiàn)發(fā)射截面時(shí)，超聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只出現(xiàn)發(fā)射脈沖脈沖T T和缺陷脈沖和缺陷脈沖F F，而沒有底脈沖，而沒有底脈沖 B B。超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷反射法探傷反射法探傷信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系53超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波無損探傷超聲波無損探傷反射法探傷反射法探傷信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系54 多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)而進(jìn)行探傷的方法。多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)而進(jìn)行探傷的方法。超聲波探頭

40、發(fā)出的超聲波由被測(cè)工件底部反射回超聲波探頭時(shí)，超聲波探頭發(fā)出的超聲波由被測(cè)工件底部反射回超聲波探頭時(shí)，其中一部分超聲波被探頭接收，而剩下部分又折回工件底部，其中一部分超聲波被探頭接收，而剩下部分又折回工件底部，如此往復(fù)反射，直至聲能全部衰減完為止。如此往復(fù)反射，直至聲能全部衰減完為止。 因此，若工件內(nèi)無因此，若工件內(nèi)無缺陷，則熒光屏上會(huì)出現(xiàn)呈指數(shù)函數(shù)曲線形式遞減的多次反射缺陷，則熒光屏上會(huì)出現(xiàn)呈指數(shù)函數(shù)曲線形式遞減的多次反射底波底波( (見圖見圖(b)(b)。若工件內(nèi)有吸收性缺陷時(shí)，聲波在缺陷處的衰。若工件內(nèi)有吸收性缺陷時(shí)，聲波在缺陷處的衰減很大，底波反射的次數(shù)減少減很大，底波反射的次數(shù)減少(

41、 (見圖見圖(c)(c)。若缺陷嚴(yán)重時(shí)，底波。若缺陷嚴(yán)重時(shí)，底波甚至完全消失甚至完全消失( (見圖見圖(d)(d)。據(jù)此可判斷出工件內(nèi)部有無缺陷及缺。據(jù)此可判斷出工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷嚴(yán)重程度。陷嚴(yán)重程度。 當(dāng)被測(cè)工件為板材時(shí)，為了觀察方便，一般常采當(dāng)被測(cè)工件為板材時(shí)，為了觀察方便，一般常采用多次脈沖反射法進(jìn)行探傷。用多次脈沖反射法進(jìn)行探傷。超聲波傳感器超聲波傳感器信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系55超聲波探傷超聲波探傷 超聲波探傷是目前應(yīng)超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測(cè)傷手段。它既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又材料表面的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷，這是缺陷，這是x x光探傷所光探傷所達(dá)不到的深度。達(dá)不到的深度。 A A型超聲探傷反型超聲探傷反射波形射波形裂紋裂紋信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系56起始波起始波 缺陷反射波缺陷反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷超聲波傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器超聲波傳感器v超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用l超聲波清洗超聲波清洗信息與控制學(xué)院儀器系信息與控制學(xué)院儀器系57 當(dāng)弱的聲波信