超声波传感器及应用.ppt

第第9 9章章 超声波传感器及应用超声波传感器及应用 8/22/20241主要章节主要章节n9.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质 n9.2超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术 n9.3超声波传感器的应用超声波传感器的应用 8/22/20242声波频率的界限划分声波频率的界限划分9.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质9.1.1 超声波的基本概念超声波的基本概念 8/22/20243 声波的分类1.次声次声波波　　 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动8/22/202442.可闻声波　　 美妙的音乐可使人陶醉美妙的音乐可使人陶醉8/22/202453.超声波　　 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波8/22/20246 超声波与可闻声波不同，超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

的特点　超声波雾化器　超声波雾化器　超声波加湿器　超声波加湿器8/22/20247声波的波型声波的波型 n（（1）纵波）纵波—质点振动方向与波的传播方向一质点振动方向与波的传播方向一致的波n（（2）横波）横波—质点振动方向垂直于传播方向的质点振动方向垂直于传播方向的波n（（3）表面波）表面波—质点的振动介于横波与纵波之质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波间，沿着表面传播的波n横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波 8/22/20248纵波8/22/20249横波 8/22/202410表面波8/22/2024112.声速、波长与指向性声速、波长与指向性 n（（1）声速）声速n纵波、横波及表面波的传播速度取决于纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗抗 n介质的声阻抗介质的声阻抗Z等于介质的密度等于介质的密度ρ和声速和声速c的乘积，即的乘积，即nZ=ρc 8/22/202412常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为度为0℃℃）） 材材 料料密度密度ρ(103kg·m-1)声阻抗声阻抗Z（（103MPa·s -1））纵波声速纵波声速cL（（km/ s））横波声速横波声速cs（（km/s））钢钢7.8465.93.23铝铝2.7176.323.08铜铜8.9424.72.05有机玻璃有机玻璃1.183.22.731.43甘油甘油1.262.41.92—水（水（20℃））1.01.481.48—油油0.91.281.4—空气空气0.00130.00040.34—8/22/202413（（2）波长）波长n超声波的波长超声波的波长λ与频率与频率f 乘积恒等于声速乘积恒等于声速c，即，即nλ f =c 8/22/202414（（3）指向性）指向性n超声波声源发出的超声波束以一定的角超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。

在声束横截面的中心度逐渐向外扩散在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小的增大而减小 1—超声源超声源 2—轴线轴线 3—指向角指向角 4—等强度线等强度线8/22/202415n指向角指向角θ与超声源的直径与超声源的直径D、以及波长、以及波长λ之间的关系为之间的关系为nsinθ= 1.22λ/D n设超声源的直径设超声源的直径D=20mm，射入钢板的，射入钢板的超声波（纵波）频率为超声波（纵波）频率为5MHz，则根据上，则根据上式可得式可得θ=4°，可见该超声波的指向性是，可见该超声波的指向性是十分尖锐的十分尖锐的8/22/2024163.超声波的反射和折射超声波的反射和折射 n超声波从一种介质传播到另一介质，在超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射回原介质，叫做反射波，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波这样的两种情况分别称则叫做折射波这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射，之为声波的反射和折射， 8/22/202417波的反射和折射波的反射和折射 8/22/202418n（（1）反射定律）反射定律n入射角入射角  的正弦与反射角的正弦与反射角 '的正弦之比等于波的正弦之比等于波速之比。

当入射波和反射波的波型相同、波速速之比当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角相等时，入射角  等于反射角等于反射角 'n（（2）折射定律）折射定律n入射角入射角  的正弦与折射角的正弦与折射角  的正弦之比等于超的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中与在折射波中介质的波速介质的波速c2之比，即之比，即nsin  / sin  = c1 / c2 8/22/2024194.超声波的衰减超声波的衰减 n超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关散射及吸收等因素有关 n在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱n散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射中的悬浮粒子使声波散射n吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。

后造成的，介质吸收声能并转换为热能 8/22/2024209.2.1 超声波探头超声波探头 n工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式式 n其结构不同，超声波探头又分为直探头、其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等，头以及其他专用探头等， 9.2超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术8/22/202421各种超声波探头常用频率范围：常用频率范围：0.50.5~10MHz10MHz，，常见晶片直径：常见晶片直径：5 5~30mm30mm接触式直探头接触式直探头（纵波垂直入射（纵波垂直入射到被检介质）到被检介质） 外壳用金属制外壳用金属制作，保护膜用硬度作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止压电晶片作，防止压电晶片磨损 保护膜保护膜接插件接插件8/22/202422超声波探头中的压电陶瓷芯片 将将数百伏数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。

当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利动波当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压荷和电压8/22/2024231.单晶直探头单晶直探头 n用于固体介质的单晶直探头（俗称直探用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头），压电晶片采用头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损保护膜可以用三氧化止压电晶片磨损保护膜可以用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作阻尼吸收块用于吸收压电磨材料制作阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分辨力阻尼吸收块用射波产生，提高分辨力阻尼吸收块用钨粉、环氧树脂等浇注钨粉、环氧树脂等浇注8/22/202424 超声波探头结构示意超声波探头结构示意 1—接插件接插件 2—外壳外壳 3—阻尼吸收块阻尼吸收块 4—引线引线 5—压电晶体压电晶体 6—保护膜保护膜7—隔离层隔离层 8—延迟块延迟块 9—有机玻璃斜楔块有机玻璃斜楔块 10—试件试件 11—耦合剂耦合剂8/22/202425n超声波的发射和接收虽然均是利用同一超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。

电子开关来切换这两种不同的状态 8/22/2024262.双晶直探头双晶直探头 n由两个单晶探头组合而成，装配在同一由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内其中一片晶片发射超声波，另壳体内其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波两晶片之间用一一片晶片接收超声波两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰隔离，使超声波的发射和接收互不干扰n双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单射和接收的控制电路较单晶直探头简单 8/22/202427各种双晶直探头 焦距范围：5~40mm, 频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45 ~70 8/22/202428 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如3030 、、4545 等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。

多次反射，而传播到较远处去底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件3.斜探头斜探头 8/22/202429各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz8/22/202430接触式双晶斜探头8/22/2024314.聚焦探头聚焦探头 n分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头n聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可以采用两种不同声速的塑料声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波如果将双晶直探头的延迟块按上述方法如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能加工，也可具有聚焦功能 8/22/2024325.箔式探头箔式探头 n利用压电材料聚偏二氟乙烯（利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得式探头，可以获得0.2mm直径的超细声直径的超细声束，用在医用束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。

高清晰度的图像8/22/2024336.空气传导型探头空气传导型探头 n超声探头的发射换能器和接收换能器一超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，般是分开设置的，两者结构也略有不同， n发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性接收器盘，以提高发射效率和方向性接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率空气传导以滤除噪声，提高接收效率空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米可达几米至几十米8/22/202434空气传导型超声发生、接收器结构示意图空气传导型超声发生、接收器结构示意图 1—外壳外壳 2—金属丝网罩金属丝网罩 3—锥形共振盘锥形共振盘 4—压电晶体片压电晶体片5—引脚引脚 6—阻抗匹配器阻抗匹配器 7—超声波束超声波束8/22/202435空气超声探头 8/22/202436空气超声探头外形8/22/202437空气超声探头外形8/22/2024389.2.2 超声波探头耦合剂超声波探头耦合剂 n一般不能直接将其放在被测介质（特别一般不能直接将其放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。

是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损 n空气的密度很小，将引起空气的密度很小，将引起3个界面间强烈个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减将对超声波造成很大的衰减 n常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等耦合剂的厚度璃、胶水、化学浆糊等耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗应尽量薄一些，以减小耦合损耗8/22/202439耦合剂 8/22/2024409.3超声波传感器的应用超声波传感器的应用n超声波测厚常用脉冲回波法超声波测厚常用脉冲回波法 n超声波探头与被测物体表面接触主控制器产超声波探头与被测物体表面接触主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲脉冲波传到被测工件另一面被反射回波脉冲脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收如果超声波在工件中的来，被同一探头接收如果超声波在工件中的声速声速υ是已知的，设工件厚度为是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发，脉冲波从发射到接收的时间间隔射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出可以测量，因此可求出工件厚度为工件厚度为nδ=υt/2 1．超声波测厚．超声波测厚 8/22/202441脉冲回波法测厚工作原理脉冲回波法测厚工作原理 从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔出时间间隔t。

也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间也可用稳频晶振产生的时间标准信号来测量时间间隔间隔t，从而做成厚度数字显示仪表从而做成厚度数字显示仪表 8/22/2024422.超声波物位传感器超声波物位传感器 n超声波物位传感器是利用超声波在两种超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的介质的分界面上的反射特性而制成的如果从发射超声波脉冲开始，到接收换如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量用这种方法可以对物位进行测量 8/22/202443几种超声物位传感器的结构示意图几种超声物位传感器的结构示意图 8/22/202444结论结论n只要测得超声波脉冲从发射到接收的间只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间，便可以求得待测的物位，超声隔时间，便可以求得待测的物位，超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点特点n若液体中有气泡或液面发生波动，便会若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。

有较大的误差n在一般使用条件下，它的测量误差为在一般使用条件下，它的测量误差为±0.1%，检测物位的范围为，检测物位的范围为102～～104m 8/22/2024453.超声波流量传感器超声波流量传感器 n测定原理目前应用较广的主要是超声波测定原理目前应用较广的主要是超声波传输时间差法传输时间差法n超声波在流体中传输时，在静止流体和超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的，利用流动流体中的传输速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流管道流体的截面积，便可知道流体的流量 8/22/202446实际应用实际应用 n超声波传感器安装在管道的外部，从管超声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收，超声波道的外面透过管壁发射和接收，超声波不会给管内流动的流体带来影响不会给管内流动的流体带来影响 8/22/202447超声波测量原理图超声波测量原理图 8/22/202448超声波传感器安装位置图超声波传感器安装位置图 8/22/202449特点特点n超声波流量传感器具有不阻碍流体流动超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测流体种类很多，不论是非的特点，可测流体种类很多，不论是非导电的流体。

还是高黏度的流体、浆状导电的流体还是高黏度的流体、浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量进行测量n超声波流量计可用来对自来水、工业用超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量还可用于下水、农业用水等进行测量还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量水道、农业灌溉、河流等流速的测量8/22/2024504.汽车倒车探测器汽车倒车探测器 （倒车雷达）（倒车雷达）n选用封闭型的发射超声波传感器选用封闭型的发射超声波传感器MA40EIS和接收超声波传感器和接收超声波传感器MA40EIR安装在汽车安装在汽车尾部的侧角处，接入电路即可装配成一个汽尾部的侧角处，接入电路即可装配成一个汽车倒车尾部防撞探测器车倒车尾部防撞探测器8/22/202451 超声波被聚焦后超声波被聚焦后，，具有较好的方向性，在遇到两具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波一现象类似于光波便携式超声便携式超声波探鱼器波探鱼器8/22/202452超声波在医学检查中的应用 胎儿的 B超影像8/22/202453超声波清洗原理及清洗器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物8/22/202454。