河南工业职业技术学院电气工程系第二讲超声波传感器一、超声波及物理特性二、超声波换能器三、超声波传感器的应用一、超声波及物理特性1、超声波频率范围高于20KHz的机械波，称为超声波频率在16～20KHz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波低于16Hz的机械波，称为次声波2、超声波的波形①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；③表面波：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衰减的波，表面波只在固体的表面传播。3、超声波物理特性声波从一种介质传播到另一种介质，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，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射.1)波的反射和折射图3-2-1超声波的反射和折射o½éÖÊ1½éÖÊ2ÕÛÉ䲨·´É䲨ÈëÉ䲨¡ä2)超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。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。散射衰减是指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运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，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。二、超声波换能器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可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波换能器也称为超声波探头，即超声波传感器。按原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式最常用。压电式利用压电材料的逆压电效应制成超声波发射头，利用压电效应制成超声波接收头。由于压电效应的可逆性，有时用一个换能器兼作发射头和接收头。按工作方式有直探头、斜探头和双探头几种。直探头斜探头图3-2-2直探头和斜探头外形½ðÊô¿ÇÎüÊÕ¿é±£»¤Ä¤½ÓÏßƬѹµç¾§Æ¬µ¼µçÂݸË超声波直探头结构如图2-2所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。双探头又称组合式探头，在一个探头内安装两块压电片，分别用于发射和接收，如图3-2-3所示。探头内装有延迟块，使超声波延迟一段时间再射入工件，适用于探测离探头近的物件。图3-2-3双探头换能器图双探头三、超声波传感器的应用1、超声波传感器测物位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。2cthh--换能器距液面的距离；c--超声波在介质中传播的速度。22ashS--超声波从反射点到换能器的距离；a——两换能器间距之半。从以上公式中可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，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特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会产生较大的误差。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10-2～104m。2、超声波传感器探伤超声波探伤的方法可分成许多种类，这里仅介绍脉冲波反射法。如图3-2-4所示。图3-2-4探头接收反射波并转换为高频电脉冲，经放大，检波等环节，加到CRT的y轴偏转板上，在荧光屏上便显示出发射波、伤波和底波的脉冲波形。根据伤波脉冲在x轴上的位置和标志脉冲信号，即可方便地读出缺陷的位置。触发信号发生器的信号，经高频脉冲发生器发出宽度可调的高频脉冲序列，加到超声波发射头上，发射超声波；经时间电路，产生CRT阴极加亮脉冲和x轴扫描锯齿波；经标志电路产生标志脉冲信号。超声波在工件中沿直线传播，若有缺陷则部分被反射，称为伤波；其余波到达工件底部反...
