检测与传感第十章(2)

5. 倒车雷达 6. 便携式超声波探鱼器 7. 超声波在医学检查中的应用 8. 超声波清洗原理及清洗器
10.2 超声波传感器
1. 定义
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置。
（超声波换能器、探测器）
2. 超声波的分类
按工作原理
压电式 磁致伸缩式 电磁式
按结构 分为单晶直探头、双晶直探头、斜探头、双探头、表面波探 头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其 他专用探头等。
（1）穿透法探伤 • 优点：适用于自动探 伤；可避免盲区，适 宜探测薄板。 • 缺点：探测灵敏度较 低，不能发现小缺陷； 根据能量的变化可判 断有无缺陷，但不能 定位；对两探头的相 对位置要求较高。
穿透法探伤原理
（2）脉冲反射法
脉冲反射法探伤原理
工件
缺陷
起始波 缺陷反射波 底波
反射法超声波探伤原理动画
t2
L cv
则超声波传播时间差为 ：
2 Lv t t2 t1 2 c v2
c2 t 由于c>>v, 从上式便可得到流体的流速， 即 v 2L
超声波传感器安装位置
若超声波探头的安装位置上右图所示，则超声波的传 输时间将由下式确定：
D t1 cos c v sin
空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱反射波， 造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。 常用的耦合剂有水、机油、甘油、羧甲基纤维素钠、水 玻璃、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。
耦合剂
10.3 超声波传感器应用
1 超声波物位传感器 （1）原理 利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性。 如果从发射超声脉冲开始，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。 （2）分类 根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单 换能器和双换能器： 单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器； 双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。
钨粉、环氧树脂等浇注。
（2）磁致伸缩式 【注】主要用于液位的测量（磁致伸缩液位计 ）
磁致伸缩波导丝，作为磁致伸缩传感器中的核心部
件，其饱和磁化强度较高，力学性能好，具有应变值高、 电（磁）-----机械波转换能力强的优点，能将微小的磁 场向量变化转变为机械波，在液位测量中起着关键的作 用。理论上，可对材料居里点100℃以下范围内的液体 液位进行精确测量。
保护膜的作用：是为了避免传感器
与被测件直接接触而磨损压电晶片； 可用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼
等硬度很高的耐磨材料制作。
阻尼块的作用：是降低晶片的机械
品质，吸收超声波的能量。 （如果
没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，
晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽 度，使分辨率变差）； 阻尼吸收块用
压电式超声波传感器结构
左图给出了几种超 声物位传感器的结构示 意图。超声波发射和接 收换能器可设置在液体 介 质 中 ， 让超 声 波 在液 体介质中传播，如图（ a ） 所示。
超声波发射和接收 换能器也可以安装在液 面的上方，让超声波在 几种超声物位传感器的结构原理示意图 空气中传播， 如图（b ） (a) 超声波在液体中传播； (b) 超声波在空气中传播 所示。这种方式便于安 装和维修。
手推钢轨探伤车
手推钢轨探伤车（续）
高速钢轨探伤车
常用的检测行车速度：每 小时30～50公里 最佳灵敏度：直径3毫米的 钻孔
超声波物位传感器的特点：
精度高，使用寿命长；
受液体中气泡或液面波动影响严重
（一般下，测量误差为±0.1%，检测物位的范围为10-2~104m）
2 超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法有很多，最常用的 是传播时间差法。 原理：由于超声波在流体中传播时，在静止流体和 流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求 出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流 体的流量。
应用领域主要有：工业现场液位测量与控制， 油罐药罐液位测量，食品饮料液罐控制，大坝水 位监控，饮用水和污水处理等。
（3）单晶直探头 单晶是指超声波的发射和接收均是利用同一块晶片 直探头是指波垂直入射到被检介质
虽然超声波的发射和接收利用同一块晶片，但时 间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状
超声波在空气中的衰减比液体中严重 （超声波在空气中的衰减系数大）
eg：频率为106Hz的超声波在离开声源以后，在空气中经过0. 5m距离， 其强度就要减弱一半；在水中传播，要经过500m的距离后才使强度 减弱一半。
对于单换能器来说， 超声波从发射器到液面， 又从液面反射到
换能器的时间为
2h t c
求出工件厚度为：
δ=υt/2
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t，从而做成厚度数字显示仪表。
手持式超声波测厚仪
手持式超声波测厚仪（续）
金属构件测厚
某超声波测厚仪指标 显示方法∶128×32 LCD点阵液晶显示 （带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8~200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000~9999m/s 测量周期：2次/s 自动关机时间：90s 电源：二节七号（AAA）电池， 可连续工作不少于72h 使用温度：-10~40℃ 存储温度：-20~70℃ 外形尺寸：108×61×25mm 重量：230g （含电池）
F1发射的超声波到达 F2的时间较短
发射、接收探头安装在管道同一侧
如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可 以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L, 如图所示。 设顺流方向的传播时间为 t1，逆流方向的传播时间为 t2，流体静止时的超 声波传播速度为c。
L t 假设管道内流体的流动速度为v，则 1 c v
各种双晶直探头
直径范围：5~40mm 频率范围：2.5~5MHz
（5）斜探头
接插件
底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45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。
量子效率随波长的变化曲线 浅的PN结有较好的紫光灵敏度 深的PN结有较好的红外灵敏度
上节内容复习
6. 色敏传感器工作原理和测量步骤 不同的结深区域对不同波长 的光具有不同的灵敏度来识别入 射光的波长（颜色）的。 Step1: 对该色敏器件进行标定 Step2: 根据标定的曲线，实测出 某一单色光时的短路电流比值， 即可确定该单色光的波长。
h
x = ct / 2
和这个原理一样吗？
身高；1.6m 体重：70kg 超重！
压板内安装有压电传感器， 以判断是否触及头部
测量柱内安装有电动机位移传感器
踏板内安装有压力传感器
4. 超声波探伤 穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化 情况来判断工件内部质量。
反射法探伤 反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不 同来探测工件内部是否有缺陷。ห้องสมุดไป่ตู้
（8）空气传导型探头 空气传导型超声探头的发射换能器和接收换能器 一般是分开设置的，对两者的技术要求不同： 发射器的发射效率高，方向性好； 接收器需要接收效率高，抗噪性能好。
空气传导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。
空气超声探头外形
【注】 超声波探头耦合剂 一般不能直接将超声波传感器放在被测介质（特别是粗 糙金属）表面来回移动，以防磨损。
则
ct h 2
h——换能器距液面的距离；
c——超声波在介质中传播的速度
对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而
2s t c
因此液位高度为
s
ct 2
h s2 a2
S——超声波从反射点到换能器的距离；a——两探头间距离的一半 只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可求得待测的物位
（1）压电式
压电式超声波探头常用的材料是压 电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料 的压电效应来工作的。
超声波探头中的压电陶瓷芯片
正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头； 逆压电效应将高频电信号转换成高频机械振动，从而产生超声波， 可作为发射探头
超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、 吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。
态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。
保护膜
外壳用金属制作， 保护膜用硬度很高的 耐磨材料制作，防止 压电晶片磨损
接插件
各种超声波单晶直探头
常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm 接触式直探头（波垂直入射到被检介质）
（4）双晶直探头 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 以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。 与单晶直探头对比： 双晶探头的结构虽然复杂些，检测精度比单晶 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。
第10章 超声波传感器
1. 声波的频率范围 (16~2×104 Hz ) 次声波、超声波 2. 分类：纵波、横波、表面波 （横波声速为纵波的一半， 表面波声速为横波声速的90%）
3. 超声波反射系数R与折射系数T (超声波在两种特性阻抗差别较大的界 面时，将发生全反射 )
4. 超声波的衰减： 声压、声强
扭转波脉冲
（机械波）
液位测量精度达0.1mm
工作时，传感器电路部 分将在波导丝上激励出脉 冲电流，该电流沿波导丝 传播时会在波导丝的周围 产生脉冲电流磁场。磁致 伸缩液位计测杆外配有一 浮子，此浮子可以沿测杆 随液位的变化而上下移动， 在浮子内部有一组永久磁 环。