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1、2022-5-241第五章第五章 超声波传感器超声波传感器 本章主要学习超声波的本章主要学习超声波的物物理特性理特性，着重了解超声波在检，着重了解超声波在检测技术中的一些测技术中的一些应用应用，也涉及，也涉及无损探伤无损探伤的设备及方法。的设备及方法。2022-5-242概述：概述： 声波的分类声波的分类1.1.次声次声波 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，但但可与人体器官发生共振，可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会的次声波会引起人引起人的恐怖感，的恐怖感，动作不协调动作不协调，甚至导致心，甚至导致心脏停止跳动脏停止跳动。2022-5-2

2、432.2.可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。2022-5-2443.3.超声波超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波波。2022-5-245蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食2022-5-246 超声波与可闻声波不超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。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2022-5-247 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，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，能用于集成可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集

3、成电路及塑料的焊接。电路及塑料的焊接。 超声波塑料超声波塑料焊接机焊接机2022-5-248超声波金丝超声波金丝焊接机焊接机2022-5-249 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在超声波被聚焦后，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。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2022-5-2410超声波在医学检查超声波在医学检查中的应用中的应用 胎儿的胎儿的 B超影像超影像2022-5-2411超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产当

4、弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙生一定的负压，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，则会对液体产生一定的正压，即液体用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。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：超声波作用于液体中时，液体中每个经研究证明：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

5、的压力，这产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为种现象被称之为“空化作用空化作用”，超声波清洗正是利，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、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。机械、玻璃、医疗仪器等行业。2022-5-2412超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂（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）、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

6、浪波浪清洗物清洗物2022-5-2413第一节第一节 超声波物理基础超声波物理基础 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，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。2022-5-2414超声波的波型超声波的波型分类

7、分类 超声波的传播波型主要可分为超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。纵波、横波、表面波等几种。 2022-5-2415纵纵波波2022-5-2416横波横波 2022-5-2417表面波表面波2022-5-2418 第二节第二节 超声波换能器及耦合技术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、

8、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。 2022-5-2419各种超声波探头各种超声波探头 （以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）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，防止压电晶片

9、作，防止压电晶片磨损。磨损。 保护膜保护膜接插件接插件2022-5-2420接触式接触式 直探头原理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2022-5-2421接触式斜探头接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）（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

10、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2022-5-2422各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1 15MHz5MHz2022-5-2423接触法双晶直探头接触法双晶直探头 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

11、，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2022-5-2424各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围：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 2022-5-2425接触法双晶斜探头（续）接触法双晶斜探头（续）2022-5-2426 水浸探头水浸探头（可用自来水作为耦合剂）（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。2022

12、-5-2427聚焦探头聚焦探头 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

13、超声波。 2022-5-2428聚焦探头原理及外形聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头水浸聚焦探头2022-5-2429超声波探头中的压电陶瓷芯片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荷和电压。转换成同频率的交变电荷和电压。2022-5-2430压电陶瓷的主要性能指标压电陶瓷的主要性能指标

14、1) 介电常数介电常数 ：10006000 2) 压电灵敏度压电灵敏度D33 ：300600pC/N 3) 机械品质因素机械品质因素Q：1002000 4) 居里温度：居里温度：300400 C 5）静电容：）静电容：1000 100000pF（与面积有关）（与面积有关） 6）频率范围：）频率范围： 用于超声清洗：用于超声清洗：30100KHz 用于探伤仪及流量计：用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：用于雾化器：12MHz2022-5-2431耦合剂耦合剂 超声探头与被测物体接触时，探头与被测物超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界体表面间

15、存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。学浆糊等。 2022-5-2432空气超声探头空气超声探头 a a） 超声发射器超声发射器 b b）超声接收器）超声接收器 1 1外壳外壳 2 2金属丝网罩金属丝网罩 3 3锥形共振盘锥形共振盘 4 4压电晶片压电晶片 5 5引脚引脚 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超声波束超声波束 2022-5-2433空气超声探头（续）空气超声探头（续） 2022-5-2434空气超声探头外形空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气超声探头外形（续）2022-5-2436空气传导超声波电脉冲发生器空气传导超声波电脉冲发生器