1、課題：超聲波傳感器日勺原理及應用課時安排：2課次編號：11材分析難點：無損探傷重點：超聲波傳感器的應用教學目的和要求1、解超聲波的物理基礎；2、掌握縱波探傷的計算；4、了解無損探傷的原埋。，用教學方法和實施步驟：占一、中+匚八才教具：各種超聲波傳講授、課堂互動、分析口感器各教 學環 節和 內容演示：做以下的實驗： 將超聲波換育需浸入透明的杯子中，可以看到水受到強烈的振動，形成噴泉和水 霧。結論：超聲波的方向性強，育區集中。弟 下超嚴波物埋基礎、嚴波的本質和分類 產波是，種機械波。.可聞聲波：振動頻率在 20Hz ? 20kHz的范圍內，可為人耳所感覺.次聲波：振動頻率在20Hz以下人耳無法感知

2、，但許多動物卻能感受到。比如地震發生前的次聲波就會引起許多動物的異常反應。.超聲波：振動頻率高于 20kHz的機械振動波超聲波的特點：指向性好，育區集中，穿透本領大，在遇到兩種介質的分界面（例如 鋼板與空氣的交界面） 時，能產生明顯的反射和折射現象，這 現象類似于光波。超聲波的特性與頻率的關系：頻率越高，其聲場指向性就愈好，與光波的反射、折散 特性就越接近。超聲波的傳播方式超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。三、聲速、波長與指向性（1）聲速 聲波的傳播速度取決于介質的彈性系數、介質的密度以及聲阻抗。幾種常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關系如表7-1所示。表7-1常用材料的密度、聲

3、阻抗與聲速（環境溫度為0 C）材料密度3 -1p/10 kg m聲阻抗-1z/10MPa s縱波聲速-1CL/km s橫波聲速-1CS/km s鋼7.8465.93.23鋁2.7176.33.1銅8.9424.72.1有機玻璃1.183.22.71.2甘油1.262.41.9一水（20 C ）1.01.481.48一油0.91.281.4*空氣0.00120.00040.34*分析表7-1 :多數情況下，密度和聲阻抗越大，聲速越快。第一節超聲波換育譚及耦合技術第章聲波傳器七感超超聲波換能器有時又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，在檢測技術中主要采用壓電式。

4、由于其結構不同，換能器又分為直探 頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、 聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等，超聲波探頭結構示意圖如圖 7-5所示。圖7-5超聲波探頭結構示意圖a）單晶直探頭b）雙晶直探頭c）斜探頭1 一接插件1 一接插件2 外殼3 一阻尼吸收塊7一隔離層8 延遲塊9 有機玻璃斜楔塊 一、以固體為傳導介質的超聲探頭4引線5 壓電晶體 6 保護膜10試件11耦合劑單晶直探頭分析發射和接收過程：發射超聲波時，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應,使晶片 發射出一束頻率落在超聲范圍內、持續時間很短的超聲振動波。超聲波到達被測物底部后，超聲波的絕

5、大部分能量被底部界面所反射。反射波經過一 到壓電晶片。利用壓電效應，晶片將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓由于衰減等原因，該電壓通常只有幾十毫伏，還要加以放大，才能在顯示器上顯示出 值。短暫的傳播時間回該脈沖的波形和幅單晶直探頭分析發射和接收過程：發射超聲波時，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應,使晶片 發射出一束頻率落在超聲范圍內、持續時間很短的超聲振動波。超聲波到達被測物底部后，超聲波的絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經過一 到壓電晶片。利用壓電效應，晶片將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓由于衰減等原因，該電壓通常只有幾十毫伏，還要加以放大，才能在顯示

6、器上顯示出 值。短暫的傳播時間回該脈沖的波形和幅結論：超聲波的發射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時工作狀態，必須用電子開關來切換這兩種不同的狀態，電子開關 切換電路框圖見第三節的圖 7-10o雙晶直探頭 結構雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射 和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。使用斜探頭的目的：為了使超聲波能傾斜入射到被測介質中，可使壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如一 I、r等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質（試件）接觸時，超聲波產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去。二、以空氣為傳導介質的超聲探頭發射器的壓電片

7、上必須粘貼了一只錐形共振盤，以提高發射效率和方向性。一只阻抗匹配器，以濾除噪聲、提高接收效率。空氣傳導的超聲發射器和接收器的有效工作范圍：幾米至幾十米。接收器在共振盤上還增加了b)b)圖7-6空氣傳導型超聲發生、接收器結構a）超聲發射器b）超聲接收器1外殼2金屬絲網罩3一錐形共振盤4壓電晶片5 一引腳6 阻抗匹配器7-超聲波束三、耦合劑用途：1沏磨損；2?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介質中。常用的耦合劑：水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。分析各種場合，使用不同的耦合劑。8）大面積鋼板探傷時，耦合劑應選 為宜；機床床身探傷時，耦合劑應選 為宜；給人體做B超時，

8、耦合劑應選 oA .自來水 B,機油 C ,液體石蠟 D .化學漿糊第三節超聲波傳感器的應用2,超聲波測厚測量試件厚度的方法：電感測微器（分辨力可達 0.5 口訕、電渦流測厚儀（只能測0.1mm以內的金屬厚度）、數顯電容式游標卡尺（分辨力可達10 ym）。超聲測厚儀特點：量程范圍大、無損、便攜等。缺點：測量精度與溫度及材料的材質有關。在電路上只要在從發射到接收這段時間內使計數電路計數，便可達到數字顯示之目的。7-41 :=ct7-42.超聲波測量液位和物位圖7-10超聲波液位計原理圖5電子開關t0=2ms , 5電子開關t0=2ms , th1=5.6ms 。已知水底與超聲探頭的間距為10m

9、,反射小板與探頭的間距為0.34m ,求液位ho1液面2一直管3空氣超聲探頭4反射小板例7-1超聲波液位計原理如圖7-10所示，從顯示屏上測得解由于ho h1 - = 口 th1所以有h1= t-a1 ho =（:和二）m=0.95m to所以yS位h為h=h2-h 仁（10-0.95） m=9.05m由于空氣中的聲速隨溫度改變會造成溫漂，所以在傳送路徑中還設置了一個反射性良好的小板作標準參照物，以便計算修正。上述方法除了可以測量液位外，也可以測量粉體和粒狀體的物位。.超聲防盜報警器圖7-11為超聲報警電路。上圖為發射部分，下圖為接收部分的電原理框圖。它們裝在同一塊線路板上。發射器發射出頻率f

10、=40kHz左右的連續超聲波（空氣超聲探頭選用40kHz工作頻率可獲得較高靈敏度，并可避開環境噪聲干擾）。如果有人進入信號的有效區域，相對速度為v,從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發生頻率偏移I。7-11超聲防盜報警器電原理框圖多普勒效應：當超聲波源與傳播介質之間存在相對運動時，接收器接收到的頻率與超聲波源發射的頻率將有所不同。產生的頻偏？與相對速度的大小及方向有關。舉例：當高速行駛的火車向你逼近和掠過時，所產生的變調聲就是多普勒效用池起的。撼腳糊勺電路原理：壓電喇叭收到兩個不同頻率所組成的差拍信號（濾波器40kHz收廄偏移的頻率40kHzt）。這些信號由40kHz選頻放大器放大

11、，并經檢波器檢波后，由低通濾波器濾去40kHz信號，而留下的多普勒信號。此信號經低頻放大器放大后，由檢波器轉換為直流電壓，去控制報警揚聲器或指示器。 利用多普勒原理的好處： 可以排除墻壁、家具的影響（它們不會產生n,只對運動的物體起作用。由于振動和氣流也會產生多普勒效應，故該防盜報警器多用于室內。 擴散思維：根據本裝置的原理，還能運用多普勒效應去測量運動物體的速度，液體、氣體的流速，汽車防碰、防追尾等。第四節無損探傷一、無損探傷的基本概念無損探傷一般有三種含義：.無損檢測 NDT （ Non destructive Test ing ）;.無損檢查 NDI （ Nondestructive I

12、nspection ）.無損評價 NDE （ Non destructive Evaluatio n ）NDT僅僅是檢測出缺陷；NDI則以NDT結果為判定基礎；而NDE則是對被測對象的 完整性、可靠性 等進行綜合評價。近年來，無損探傷已逐步從NDT向NDE過渡。無損檢測的方法： 對鐵磁材料，可采用磁粉檢測法；對導電材料，可用電渦流法；對非導電材料還可以用熒光染色滲透法。以上幾種方法只能檢測材料表面及接近表面的缺陷。 采用放射線（X光、中子、3射線）照相檢測法可以檢測材料內部的缺陷，但對人體有較大的危險，且設備復雜，不利于現場檢測。 除此之外，還有紅外、激光、聲發射、微波、計算機斷層成像技術（C

13、T）探傷等。超聲波檢測和探傷是目前應用十分廣泛的無損探傷手段。 特點：既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內部幾米深的缺陷，這是X光探傷所達不到的深度。 （三）超聲探傷分類：A、B、C等幾種類型。A型超聲探傷 A型探傷的結果以二維坐標圖形式給出。它的橫坐標為時間軸，縱坐標為反射波強度。可以從二維坐標圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較難識別缺陷的性質、類型。B型超聲探傷B型超聲探傷的原理類似于醫學上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標，探傷深度作為縱坐標，以屏幕的輝度（亮度）來反映反射波的強度。它 可以繪制被測材料的縱截面圖形。探頭的掃描可以是機械式的，更多的是用計算機來控制一組發射晶片陣列（線陣

14、）來完成與機械式移動探頭相似的掃描動作，但掃描速度更快，定位更準確。C型超聲探傷目前發展最快的是 C型探傷，它類似于醫學上的CT掃描原理。計算機控制探頭中的三維晶片陣列（面陣），使探頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內部缺陷的橫截面圖，這個橫截面與掃描聲束相垂直。橫截面圖上各點 的反射波強通過相對應的幾十種顏色，在計算機的高分辨率彩色顯示器上顯示出來。經過復雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個斷面的切片圖像。C型超聲探傷的特點：利用三維動畫原理，分析員可以在屏幕上控制該立體圖像，以任意角度來觀察缺 陷的大小和走向。,并應的解釋和評判其果。,并應的解釋和評判其果。橫波探傷和表面波每

15、一次掃描的原始數據都可記錄并存貯，可以在以后的任何時刻調用，并打印探傷結 二、A型超聲探傷A型超聲探傷采用超聲脈沖反射法。而脈沖反射法根據波形不同又可分為縱波探傷、 探傷等。A型超聲探傷儀外形如圖7-12所示。H圖7-12 A型超聲波探傷儀外形a）臺式A型探傷儀b）便攜式A型探傷儀1電纜插頭座2一工作方式選擇3一衰減細調4一衰減粗調5 一發射波T6一第一次底反射波 B1 7一第二次底反射波 B2 8一第五次底反射波 B5 9 一掃描時 間調節 10 掃描時間微調 11 脈沖X軸移位12 一報警揚聲器13 一直探頭（一）縱波探傷的方法測試前，先將探頭插入探傷儀的連接插座上。探傷儀面板上有一個熒光

16、屏，通過熒光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作時探頭放于被測工件上，并在工件上來回移動進行檢測。探頭發出的超聲波，以一定速度向工件內部傳播，如工件中沒有缺陷，則超聲波傳到工件底部便產生反射，反射波到達表面后再次向下反射，周而復始，在熒光屏上出現始脈沖T和一系列底脈沖B1、B2、B3、?（見圖 7-12） 所示。B波的高度與材料對超聲波的衰減有關，可以用于判斷試件的材質、內部晶體粗細等微觀缺陷。縱波探傷示意圖如圖7-13所示。a）無缺陷時超聲波的反射及顯示波形b）有缺陷時超聲波的反射及顯示波形熒光屏上的水平亮線為掃描線（時間基線），其長度與工件的厚度成正比（可調整）圖7-13縱波探傷示意圖1?缺陷面積大，則缺陷脈沖F脈沖的幅度就高，而 B脈沖的幅度就低。2. F脈沖距離T脈沖越近，缺陷距離表面經越近。例7