2023/3/11第8章超聲波傳感器

主要學習超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測技術中的一些應用，也涉及無損探傷的設備及方法。2023/3/12目錄概述一、超聲波物理基礎二、超聲波換能器及耦合技術三、超聲波傳感器的應用四、超聲波無損探傷

2023/3/13概述：聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20Hz的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協調，甚至導致心臟停止跳動。2023/3/142.可聽聲波(20HZ-20KHZ)奇妙的音樂可使人沉醉。2023/3/153.超聲波

>20KHZ蝙蝠能發出和聽見超聲波。2023/3/16蝙蝠依靠超聲波捕食2023/3/17

超聲波與可聽聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點。

超聲波霧化器

超聲波加濕器2023/3/18

壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。

超聲波塑料焊接機2023/3/19超聲波金絲焊接機2023/3/110

超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質的分界面時，能產生明顯的反射和折射現象，這一現象類似于光波。便攜式超聲波探魚器2023/3/111工作原理：傳感器探頭放射超聲波信號，遇到水底或魚群會反射回信號，然后檢測反射信號，處理數據，得出水底深度、魚所在水層。2023/3/112岸釣中的橫掃描2023/3/113探魚器在冰釣中的運用2023/3/114探魚器在船釣中的運用2023/3/1152023/3/116超聲波在醫學檢查中的應用

胎兒的

B超影像2023/3/117三維B超醫學影像工作站三維超聲醫學影像工作站是由三維超聲圖像處理軟件、計算機、高速圖像采集卡、彩色打印機等組成，在一般B超掃描成像的基礎上，形成三維影像并可進行影像存儲、回放及形成診斷報告等功能的裝置。三維超聲成像能單獨顯示感愛好結構的立體形態和內部結構，它可使醫師獲得更多的組織信息，以作出更全面、更精確的分析。具有很高的臨床和探討價值。三維超聲工作站能打印精致的三維圖像報告，特殊是胎兒的圖像，是孩子的第一張照片，有極高的紀念意義，可以是醫院經濟效益創收的一種手段。2023/3/118三維超聲醫學影像工作站特點：1.只需一根視頻線進行連接，不影響原有B超的任何功能。2.三維成像速度快，三維影像掃描時間為4～5秒，成像時間小于1秒。3.圖像清晰，能清晰顯示胎兒的體態、五官、臉形、四肢等，便于診斷胎兒畸形。4.可在三維圖像中提取任一剖面、方位、角度進行分析。5.可便利地去除多余組織圖像，突出感愛好區。6.可對圖像進行放大、縮小、圖片反轉、角度變換等處。7.圖像有多達4種顏色變換以供選擇。8.超聲專業術語數據庫，便利行成診斷報告。9.可進行資料存檔，供您隨時調用、分析。10.圖文一體化的報告。2023/3/1192023/3/120超聲波用于高效清洗當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產生確定的負壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成很多微小的氣泡；而當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產生確定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經探討證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的裂開會產生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產生幾百度的高溫順高達上千個大氣壓的壓力，這種現象被稱之為“空化作用”。超聲波清洗正是利用液體中氣泡裂開所產生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、機械、玻璃、醫療儀器等行業。2023/3/121超聲波清洗原理及清洗器

超聲換能器氣泡波浪清洗物2023/3/122一、超聲波物理基礎

頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本事大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。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。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。2023/3/123超聲波的波型分類

超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

橫波是指振動方向與傳播方向相垂直的波橫波是質點振動方向與傳播方向垂直的機械波。可以這樣理解，假如我們手拿平鋪在地上的繩子的一端，并上下抖動(振動)繩子，這時形成的波，呈水平方向向前傳播。振動方向垂直于地面，而且傳播方向水平向前，這就是橫波。

縱波是指振動方向與傳播方向相同的波

縱波是質點的振動方向與傳播方向一樣的波。如敲鑼時，鑼的振動方向與波的傳播方向就是一樣的，聲波是縱波。

2023/3/124縱波2023/3/125橫波

2023/3/126地震地震：是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產生地震波的一種自然現象。地球上板塊與板塊之間相互擠壓碰撞，造成板塊邊沿及板塊內部產生錯動和裂開，是引起地面振動（即地震）的主要緣由據統計，地球上每年約發生500多萬次地震，即每天要發生上萬次地震。其中絕大多數太小或太遠以至于人們感覺不到；真正能對人類造成嚴峻危害的地震大約有一二十次；能造成特殊嚴峻災難的地震大約有一兩次。2023/3/1272023/3/1282023/3/1292023/3/1302023/3/1312023/3/132地震：動物的先兆是否有科學道理？你信嗎？2023/3/133李善邦研制的中國第一臺現代地震儀器，1939年張衡地動儀復原模型：50年度2002-20082023/3/134古今中外地震死亡人口之最：大約1201年7月，近東和地中海東部地區的全部城市都遭地震破壞，死人最多,估算約達110萬。1556年1月23日發生在中國陜西華縣的8.0級地震造成的死亡人數比前者確鑿一些，廣袤災民病死、餓死，數百里山鄉斷了人煙，估計死亡83萬余2023/3/135世界上第一次成功地預報并取得明顯減災實效的地震：1975年2月4日，海城地震（中國的地震工作者成功地預報，被世界科技界稱為“地震科學史上的奇跡”）世界上最大的地震海嘯：1971年4月24日發生在日本琉球群島中的石垣島（估計巨大海浪的波峰高達84.7米，移山倒海的巨浪將重量達850噸的整珊瑚礁拋出2.092公里以上。這次海震所擊起的海浪，據測它的行進速度為每小時788.557公里2023/3/136世界上有儀器記錄的最大地震：1960年5月22日19時11分，智利地震（8.9級，因計算方法不同，也有9.5級的說法）[40]

。世界最典型的城市“直下型地震”：1976年的中國唐山地震和1995年的日本阪神地震2023/3/137表面波

所謂壓電效應，即是當晶體受到機械作用時，將產生與壓力成正比的電場的現象。具有壓電效應的晶體，在受到電信號的作用時，也會產生彈性形變而發出機械波（聲波），即可把電信號轉為聲信號。由于這種聲波只在晶體表面傳播，故稱為聲表面波。聲表面波SAW（SurfaceAcousticWave）就是在壓電基片材料表面產生和傳播、且振幅隨深化基片材料的深度增加而快速削減的彈性波。一個實心的物體遭遇撞擊時，可以測出兩種波，一種是縱波，一種是表面波，而空心的物體只能測到表面波。“縱波”是一種穿透波，可以穿透物體，由表面的一邊經過物體中心傳導到另一邊。“表面波”猶如它的名字一樣，只能在極淺的表面傳遞。但是，放置在月球上的月震儀，經過長時間的記錄，都沒有記錄到縱波，全部都是表面波。依據這個現象，科學家特別驚異地發覺：月球是空心的！2023/3/138

二、超聲波換能器及耦合技術

超聲波換能器又稱超聲波探頭。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，在檢測技術中主要接受壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。2023/3/139各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質）外殼用金屬制作，愛護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。愛護膜接插件2023/3/140接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端2023/3/141接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）壓電晶片粘貼在與底面成確定角度（如30、45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，超聲波將產生確定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產生多次反射，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料接插件2023/3/142各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz2023/3/143接觸法雙晶直探頭將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內，其中一片放射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結構雖然困難些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的限制電路較單晶直探頭簡潔。放射晶片接收晶片2023/3/144各種雙晶直探頭

焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

2023/3/145接觸法雙晶斜探頭（續）2023/3/146

水浸探頭

（可用自來水作為耦合劑）選擇聲透鏡形態，可確定聚焦形式為點聚焦或線聚焦。2023/3/147聚焦探頭由于超聲波的波長很短（毫米數量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成特別細的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以辨別試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭接受曲面晶片來發出聚焦的超聲波；也可以接受兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。2023/3/148超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片放射出持續時間很短的超聲振動波。當超聲波經被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。2023/3/149壓電陶瓷的主要性能指標

1)介電常數：1000~60002)壓電靈敏度D33

：300~600pC/N3)機械品質因素Q：100~20004)居里溫度：300~400C5）靜電容：1000~100000pF（與面積有關）

6）頻率范圍：用于超聲清洗：30~100KHz

用于探傷儀及流量計：2.5~5MHz

用于霧化器：1~2MHz2023/3/150耦合劑

超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間猛烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必需將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順當地入射到被測介質中。在工業中，常常運用一種稱為耦合劑的液體物質，使之充溢在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。2023/3/151空氣超聲探頭

a）

超聲放射器b）超聲接收器1—外殼2—金屬絲網罩3—錐形共振盤4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束2023/3/152空氣超聲探頭（續）

2023/3/153空氣超聲探頭外形空氣超聲探頭外形（續）2023/3/155空氣傳導超聲波電脈沖發生器2023/3/156三、超聲波傳感器的應用

當超聲放射器與接收器分別置于被測物兩側時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。超聲放射器與接收器置于同側的屬于反射型，反射型可用于接近開關、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。2023/3/157超聲波傳感器應用舉例

2023/3/158超聲波傳感器應用舉例（續）

2023/3/159超聲波傳感器應用舉例（續）質量檢查緊固件的安裝錯誤檢測2023/3/160疊放高度測量超聲波傳感器應用舉例（續）超聲波傳感器應用舉例（續）物件放置錯誤檢測超聲波傳感器應用舉例（續）透亮塑料張力限制2023/3/163機械手定位超聲波傳感器應用舉例（續）2023/3/164紙卷直徑檢測超聲波傳感器

應用舉例（續）2023/3/165平整度測量超聲波傳感器應用舉例（續）2023/3/166超長距離檢測超聲波傳感器

應用舉例（續）2023/3/167流水線計數超聲波傳感器

應用舉例（續）2023/3/168

超聲波流量計

F1放射的超聲波先到達T12023/3/169測量流量原理分類時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的確定距離上，分別安裝兩對超聲波放射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。2023/3/170F1放射的超聲波到達F2的時間較短頻率差法測量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的限制，交替地作為超聲波放射器與接收器用。首先由F1放射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被F2接收，此信號經放大后再次觸發F1的驅動電路，使F1放射其次個聲脈沖。緊接著，由F2放射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流放射頻率f1與逆流放射頻率f2的頻率差f與被測流速v成正比。F2F12023/3/172放射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側2023/3/173同側式超聲波流量計的運用（參考北京菲波儀表有限公司資料）2023/3/174超聲波流量計現場運用2023/3/175超聲波多普勒測量車速2023/3/176多普勒效應前進方向的頻率上升假如波源和視察者之間有相對運動，那么視察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現象叫做多普勒效應。測出f就可得到運動速度。2023/3/177超聲波多普勒測量風速風

風引起超聲波的頻率變大或變小2023/3/178超聲波測距空氣超聲探頭放射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從放射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經驗的路程，除以2就得到距離。2023/3/179超聲波測厚雙晶直探頭中的壓電晶片放射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從放射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數c，就是超聲脈沖在被測件中所經驗的來回距離，再除以2，就得到厚度：2023/3/180手持式超聲波測厚儀2023/3/181某超聲波測厚儀指標

（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）顯示方法∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關機時間：90秒

電源：二節七號（AAA）電池，可連續工作不少于72小時

運用溫度：-10°C~40°C

存儲溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）2023/3/182超聲波測厚石料測厚2023/3/183超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚2023/3/184雙晶超聲波測厚探頭2023/3/185雙晶超聲波測厚探頭（續）2023/3/186超聲波測量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導型超聲放射器和接收器，依據超聲波的來回時間，就可測得液體的液面。2023/3/187超聲波液位計原理1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關2023/3/188超聲波測量液位和物位

喇叭形超聲發生器2023/3/189超聲防盜報警器

圖中的上半部分為放射電路，下面為接收電路。放射器放射出頻率f=40kHz左右的超聲波。假如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f。2023/3/190

四、超聲波無損探傷

一、無損探傷的基本概念人們在運用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實踐中，視察到大量的斷裂現象，它曾給人類帶來很多災難事故，涉及艦船、飛機、軸類、壓力容器、宇航器、核設備等。路軌斷裂事故2023/3/191無損探傷的方法

對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所以得到廣泛應用。無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測法、超聲波探傷法等。

2023/3/192磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測頭夾持在被測工件上，通以數百安培的電流，工件中將產生磁場，工件表面的裂紋可因磁粉的不勻整分布而顯示出來。2023/3/193X光探傷將X光發生器對準被測