超声波传感器PPT课件.ppt
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1、2.6 2.6 超声波传感器超声波传感器主要学习超声波的物理特性,着重了解超声波在检测技术中的一些应用,也涉及相关的设备及方法一、一、 超声检测的物理基础超声检测的物理基础二、二、 超声波传感器及应用超声波传感器及应用概述: 声波的分类1.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,78Hz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。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。3.超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发
2、出和听见超声听见超声波。波。蝙蝠依靠超声波捕食 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。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器 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。 超声波塑料超声波塑料焊接机焊接机超声波金丝焊接机 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。便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器超声波在医学检查中的应用 胎儿的胎儿的 B超影像超影像超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时,会对液体产生一当弱的声波信号作用于液体
3、中时,会对液体产生一定的负压,即液体体积增加,液体中分子空隙加大,形定的负压,即液体体积增加,液体中分子空隙加大,形成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时,成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时,则会对液体产生一定的正压,即液体体积被压缩减小,则会对液体产生一定的正压,即液体体积被压缩减小,液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明:超声波作液体中形成的微小气泡被压碎。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
4、压的压力,这种现象被称之为大气压的压力,这种现象被称之为“空化作用空化作用”,超声,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。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)超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物第一节 超声波物理基础 频率高于频率高于20kHz的机械振动波称为超声的机械振动波称为超声波。它的指向性很好,能量集中
5、,因此穿波。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,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。其声场指向性就愈好。 振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在之间,能为人耳所闻的机械波,称为之间,能为人耳所闻的机械波,称为;低于;低于的的机械波,机械波,称为称为;高于;高于的机械波,称为的机
6、械波,称为,如图,如图7-37-3所所示。频率在示。频率在之间的波,称为之间的波,称为。纵波纵波横波横波表面波表面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,它能在固体、液体和气体致的波,它能在固体、液体和气体介质中传播介质中传播质点振动方向垂直于波的传播方向的质点振动方向垂直于波的传播方向的波,它只能在固体介质中传播波,它只能在固体介质中传播质点的振动介于横波与纵波之间,沿着质点的振动介于横波与纵波之间,沿着介质表面传播,其振幅随深度增加而迅速介质表面传播,其振幅随深度增加而迅速衰减的波,表面波只在固体的表面传播衰减的波,表面波只在固体的表面传播纵波横波 表面波超声波的
7、传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例,当蒸馏水温度在为例,当蒸馏水温度在074时,声速随温度的升高时,声速随温度的升高而增加,在而增加,在74时达到最大值,大于时达到最大值,大于74后,声速随后,声速随温度的增加而减小。此外,水质、压强等也会引起声速温度的增加而减小。此外,水质、压强等也会引起声速的变化。的变化。在固体中,纵波、横波及表面波三者的声速间有一定在固体中,纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系:通常可认为的关系:通常可认为。气体中纵波声速为。气体中纵波声速为344m/s,液,液体中纵波声速为体中纵波声速为9001900m/s。
8、 声波从一种介质传播到另一种介质时,在两个介质的分界面声波从一种介质传播到另一种介质时,在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面,在另一种介质内上一部分声波被反射,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称为声波的反射和折射。如图部继续传播。这样的两种情况称为声波的反射和折射。如图7-47-4所示。所示。21sinsincc (7-2) 当声波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时,除当声波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时,除有纵波的反射、折射以外,还会发生横波的反射和折射,如图有纵波的反射、折射以外,还会发生横波的反射和折射,如图7-7-5
9、5所示。所示。sinsinsinsinsin222111SLSLLccccc (7-3) 0 xxPPe20 xxII e (7-4) (7-5) 超声波检测中,首先要把超声波发射出去,然后再超声波检测中,首先要把超声波发射出去,然后再把超声波接收回来,变换成电信号,完成这一工作的把超声波接收回来,变换成电信号,完成这一工作的装置就是装置就是,也称为超声波换能器或超声,也称为超声波换能器或超声波探头。波探头。 超声波探头按其作用原理可分为超声波探头按其作用原理可分为等,其中以等,其中以最为常用。最为常用。超声波探头超声波探头1 图图7-67-6为压电式探头结构图,它主要由压电晶片、为压电式探头
10、结构图,它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。吸收块(阻尼块)、保护膜、引线等组成。穿透法探伤穿透法探伤反射法(脉冲回波法)探伤反射法(脉冲回波法)探伤根据超声波穿透工件后,能量的变化状况来判断工根据超声波穿透工件后,能量的变化状况来判断工件内部质量的方法件内部质量的方法。根据声波在工件中反射的情况不同而探测工件内部根据声波在工件中反射的情况不同而探测工件内部的情形的情形。 超声波换能器及耦合技术 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种,在检测技术中主理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等
11、数种,在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、要采用压电式。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、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。空气传导探头以及其他专用探头等。 各种超声波探头常用频率范围:常用频率范围:0.50.510MHz10MHz,常见晶片直径:常见晶片直径:5 530mm30mm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
12、电晶片作,防止压电晶片磨损。磨损。 保护膜保护膜接插件接插件接触式 直探头原理超声脉冲电压超声脉冲电压输入端输入端 接地端接地端接触式斜探头(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,当斜楔块与不同材等)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。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各种
13、接触式斜探头常用频率范围:常用频率范围:1 15MHz5MHz接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合将两个单晶探头组合装配在同一壳体内,其中装配在同一壳体内,其中一片发射超声波,另一片一片发射超声波,另一片接收超声波。两晶片之间接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂双晶探头的结构虽然复杂些,但检测精度比单晶直些,但检测精度比单晶直探头高,且超声信号的反探头高,且超声信号的反射和接收的控制电路较单射和接收的控制电路较单晶直探头简单。晶直探头简单。 发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片各种双晶直探头 焦距范围:
14、焦距范围:5 540mm, 40mm, 频率范围:频率范围:2.52.55MHz5MHz,钢中折射角:钢中折射角:4545 7070 接触法双晶斜探头(续) 水浸探头(可用自来水作为耦合剂) 选择声透选择声透镜形状,可决镜形状,可决定聚焦形式为定聚焦形式为点聚焦或线聚点聚焦或线聚焦。焦。聚焦探头 由于超声波的波长很短(由于超声波的波长很短(毫米毫米数量级),所以数量级),所以它也类似光波,可以被聚焦成十分细的声束,其直它也类似光波,可以被聚焦成十分细的声束,其直径可小到径可小到1mm左右,可以分辨试件中细小的缺陷,左右,可以分辨试件中细小的缺陷,这种探头称为聚焦探头。这种探头称为聚焦探头。 聚
15、焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波;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来制作声透镜;也也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜;也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。焦超声波。 聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头水浸聚焦探头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,利用逆压电效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动波。当超声波经应,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,利用压电效应,将机械振动波被
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