1第9章超聲波傳感器及應用2引言超聲波技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的，各行各業都使用的通用技術之一。它是通過超聲波產生、傳播以及接受這個物理過程來完畢的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，尤其是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當超聲波從一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不一樣，在介質面上會產生反射、折射和波型轉換等現象。超聲波的這些特性使它在檢測技術中獲得了廣泛的應用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速測量、超聲顯微鏡及超聲成像等。3重要章節9.1超聲波及其物理性質9.2超聲波探頭及耦合技術9.3超聲波傳感器的應用49.1超聲波及其物理性質1．超聲波的概念和波形機械振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz～20kHz，即為聲波，超過此頻率范圍的聲音，即20Hz如下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強9.1.1超聲波的基本概念5聲波頻率的界線劃分6聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，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。72.可聞聲波

美妙的音樂可使人陶醉。83.超聲波蝙蝠能發出和聽見超聲波。9超聲波與可聞聲波不一樣，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10聲波的波型（1）縱波—質點振動方向與波的傳播方向一致的波。（2）橫波—質點振動方向垂直于傳播方向的波。（3）表面波—質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面傳播的波。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增長衰減很快。為了測量多種狀態下的物理量，多采用縱波。11縱波12橫波

13表面波142.聲速、波長與指向性（1）聲速縱波、橫波及表面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。介質的聲阻抗Z等于介質的密度ρ和聲速c的乘積，即

Z=ρc

15常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環境溫度為0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)聲阻抗Z（103MPa·s-1）縱波聲速cL（km/s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空氣0.00130.00040.34—16（2）波長超聲波的波長λ與頻率f乘積恒等于聲速c，即

λ

f=c

17（3）指向性超聲波聲源發出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強，且伴隨擴散角度的增大而減小。1—超聲源2—軸線3—指向角4—等強度線18指向角θ與超聲源的直徑D、以及波長λ之間的關系為 sinθ=1.22λ/D 設超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據式（可得θ=4o，可見該超聲波的指向性是十分鋒利的。193.超聲波的反射和折射超聲波從一種介質傳播到另一介質，在兩個介質的分界面上一部分能量被反射回原介質，叫做反射波，另一部分透射過界面，在另一種介質內部繼續傳播，則叫做折射波。這樣的兩種狀況分別稱之為聲波的反射和折射，20波的反射和折射21（1）反射定律入射角的正弦與反射角'的正弦之比等于波速之比。當入射波和反射波的波型相似、波速相等時，入射角等于反射角'。（2）折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波所處介質的波速c1與在折射波中介質的波速c2之比，即 sin/sin=c1/c2224.超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，伴隨傳播距離的增長，能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波的擴散、散射及吸取等原因有關。超聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸取，在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增長而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質中的顆粒界面或流體介質中的懸浮粒子使聲波散射。吸取衰減是由介質的導熱性、粘滯性及彈性滯后導致的，介質吸取聲能并轉換為熱能。239.2超聲波探頭及耦合技術為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接受超聲波。完畢這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波發射探頭發出的超聲波脈沖在介質中傳到其介面通過反射后，再返回到接受探頭，這就是超聲波測距原理。249.2.1超聲波探頭工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式其構造不一樣，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、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等，25多種超聲波探頭（如下參照常州市常超檢測設備有限企業資料）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，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護膜接插件26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，運用逆壓電效應，使晶片發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，運用壓電效應，將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。271.單晶直探頭用于固體介質的單晶直探頭（俗稱直探頭），壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護膜用于防止壓電晶片磨損。保護膜可以用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸取塊用于吸取壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產生，提高辨別力。阻尼吸取塊用鎢粉、環氧樹脂等澆注。28超聲波探頭構造示意1—接插件2—外殼3—阻尼吸取塊4—引線5—壓電晶體6—保護膜

7—隔離層8—延遲塊9—有機玻璃斜楔塊10—試件11—耦合劑29超聲波的發射和接受雖然均是運用同一塊晶片，但時間上有先后之分，因此單晶直探頭是處在分時工作狀態，必須用電子開關來切換這兩種不一樣的狀態。302.雙晶直探頭由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內。其中一片晶片發射超聲波，另一片晶片接受超聲波。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，使超聲波的發射和接受互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設置延遲塊，它用有機玻璃或環氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時間后才入射到試件中，可減小試件靠近表面處的盲區，提高辨別能力。雙晶探頭的構造雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲波信號的反射和接受的控制電路較單晶直探頭簡樸。31多種雙晶直探頭

焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

323.斜探頭壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30°、45°等）的有機玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強的阻尼吸取塊覆蓋。當斜楔塊與不一樣材料的被測介質（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，折射角可通過計算求得。33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一定角度（如30、45等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不一樣材料的被測介質（試件）接觸時，超聲波將產生一定角度的折射，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34多種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz35接觸法雙晶斜探頭（續）364.聚焦探頭辨別試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發展前途的新型探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發出聚焦的超聲波，也可以采用兩種不一樣聲速的塑料來制作聲透鏡，還可運用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。假如將雙晶直探頭的延遲塊按上述措施加工，也可具有聚焦功能。375.箔式探頭運用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細聲束，用在醫用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。386.空氣傳導型探頭超聲探頭的發射換能器和接受換能器一般是分開設置的，兩者構造也略有不一樣，發射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發射效率和方向性。接受器在共振盤上還增長了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接受效率。空氣傳導的超聲發射器和接受器的有效工作范圍可達幾米至幾十米。39空氣傳導型超聲發生、接受器構造示意圖1—外殼2—金屬絲網罩3—錐形共振盤4—壓電晶體片

5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束40空氣超聲探頭（續）

41空氣超聲探頭外形42空氣超聲探頭外形（續）439.2.2超聲波探頭耦合劑一般不能直接將其放在被測介質（尤其是粗糙金屬）表面來回移動，以防磨損。空氣的密度很小，將引起3個界面間強烈的雜亂反射波，導致干擾，并且空氣也將對超聲波導致很大的衰減。常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。耦合劑的厚度應盡量薄某些，以減小耦合損耗。44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強烈的雜亂反射波，導致干擾，并導致很大的衰減。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介質中。在工業中，常常使用一種稱為耦合劑的液體物質，使之充斥在接觸層中，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。459.3超聲波傳感器的應用超聲波測厚常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產生一定頻率的脈沖信號，送往發射電路，經電流放大后鼓勵壓電式探頭，以產生反復的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接受。假如超聲波在工件中的聲速υ是已知的，設工件厚度為δ，脈沖波從發射到接受的時間間隔t可以測量，因此可求出工件厚度為 δ=υt/21．超聲波測厚46脈沖回波法測厚工作原理從顯示屏上直接觀測發射和回波反射脈沖，并求出時間間隔t。當然也可用穩頻晶振產生的時間原則信號來測量時間間隔t，從而做成厚度數字顯示儀表。472.超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是運用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。假如從發射超聲波脈沖開始，到接受換能器接受到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，運用這種措施可以對物位進行測量。根據發射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發射和接受超聲波均使用一種換能器，而雙換能器的傳感器發射和接受各由一種換能器擔任。48幾種超聲物位傳感器的構造示意圖49結論只要測得超聲波脈沖從發射到接受的間隔時間，便可以求得待測的物位，超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發生波動，便會有較大的誤差。在一般使用條件下，它的測量誤差為±0.1%，檢測物位的范圍為102～104m。503.超聲波流量傳感器測定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多勒效應法等，但目前應用較廣的重要是超聲波傳播時間差法。超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不一樣的，運用這一特點可以求出流體的速度，再根據管道流體的截面積，便可懂得流體的流量。51實際應用超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發射和接受，超聲波不會給管內流動的流體帶來影響52超聲波測量原理圖53超聲波傳感器安裝位置圖54特點超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測流體種類諸多，不管是非導電的流體。還是高黏度的流體、漿狀流體，只要能傳播超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業用水、農業用水等進行測量。還可用于下水道、農業澆灌、河流等流速的測量。554.汽車倒車探測器（倒車雷達）選用封閉型的發射超聲波傳感器MA40EIS和接受超聲波傳感器MA40EIR安裝在汽車尾部的側角處，按如圖9-10所示電路裝配即可構成一種汽車倒車尾部防撞探測器。分為超聲發射電路、超聲接受電路和信號處理電路。汽車倒車尾部防撞探測器原理圖5657（1）超聲發射電路超聲發射電路由時基電路555構成，555振蕩電路的頻率可以調整，調整電位器RPl可將接受超聲波傳感器的輸出電壓頻率調至最大，一般可調至40kHz。58（2）超聲波接受電路超聲波接受電路使用超聲波接受傳感器MA40EIR，MA40EIR的輸出由集成比較器LM393進行處理。LM393輸出的是比較規范的方波信號。59（3）信號處理電路信號處理電路用集成電路LM2901N，它原是測量轉速用的IC，其內部有F/