超声传感及检测.ppt

7.1 概述 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的应用广泛的通用技术之一。 超声波传感器通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成对被测量的检测。超声波传感器（又称探头、换能器）由两部分组成－超声波发射探头与接收探头。 声波的频率界限 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。 声波的分类1.次声波 2.可闻声波 3.超声波 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。 超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。 超声波金丝焊接机 超声波被聚焦后，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，这一现象类似于光波。 倒车雷达 超声波在医学检查中的应用 胎儿的 B超影像 超声波用于高效清洗 经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。 超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料） 超声换能器 超声波的衰减 （1）扩散衰减：在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离的增加而引起声能的减弱； （2）散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向传播，形成散射。散射衰减与散射粒子形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。 （3）吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。 超声波的波型 超声波的声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声波波型不同：纵波、横波、表面波。其中，纵波能够在固体、液体和气体介质中传播，而横波、表面波只能在固体介质中传播。 纵波：质点振动方向与传播方向一致的波。 横波：质点振动方向与传播方向垂直的波。 纵波 横波 表面波 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播。 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。 超声波传感器对 二、超声波传感器 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷, 这种传感器统称为压电式超声波探头。 它是利用压电材料的压电效应来工作的: 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动, 从而产生超声波, 可作为发射探头; 而利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。  超声波传感器的组成: 采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面接到一个电极端，下面接到另一个电极端。 双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，高效应地产生高频电压。 三、超声波换能器及耦合技术 超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。 各种超声波探头 接触式直探头原理 超声脉冲电压输入端 接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 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。 各种接触式斜探头 常用频率范围：1~5MHz 接触法双晶直探头 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? 水浸探头（可用自来水作为耦合剂） 选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。