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超声波传感器
倒车雷达
7.1 超声波的物理基础
7.2 超声波传感器的应用
第七章 超声波传感器
提纲
内容
7.3 无损探伤
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超声波传感器
超声波： 频率在2×104Hz～3×108Hz的机械波。
7.1 超声波的物理基础
穿透能力强、
方向性好。
7.1.1什么是超声波？
超声波的特点：
4
能量集中、
超声波雾化器
。
纵波
横波
表面波
超声波传感器
7.1 超声波的物理基础
7.1.2 超声波的传播波型
表面波在钢材中的传播
纵波在钢材中的传播
传播波型
横波
纵波
材料 密度 声阻抗 纵波声速
横波声速
ρ/103 kg·m-1 Z /MPa·s·m-1 cL/km·s-1
cS/km·s-1
钢 7.7 460 5.9
3.2
铜 8.9 420 4.7
2.2
铝 2.7 170 6.3
3.1
有机玻璃 1.18 32 2.7
1.20
甘油 1.27 24 1.9
—
水(20℃) 1.0 14.8 1.48
—
机油 0.9 12.8 1.4
—
空气 0.0012 4×10-3 0.34
—
（1）超声波的传播速度取决于弹 性系数、介质的密度 p及声阻抗
固体的横波声速约为纵波声 速的一半
表面波的声速约为横波声速 的90%
超声波传感器
几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系
（环境温度为0℃,温度越高声速越慢）
7.1.3 超声波的声速、波长与指向性
7.1 超声波的物理基础
。
z
7.1.3 超声波的声速、波长与指向性
（2） 超声波的波长λ
声速=波长*频率 c = λf
例1： 将一束频率为5MHz的超声波（纵波）射入钢板，波长是多少？
（3） 指向性
7
超声波传感器
7.1 超声波的物理基础
sinθ = 1.22
λ
D
sina c1
=
sin ar cr
（2） 折射定理
sina c1
=
sin β cs
超声波传感器
7.1 超声波的物理基础
7.1.4 倾斜入射时的反射与折射
（1） 反射定理
。
a=ar
入射波
反射波
折射波
ar
钢板
空气
a
β
7.1.5 垂直入射时的反射与透射
当声波垂直入射到光滑的界面上时，入射声压pi、
间满足如下关系：
Pi + = Pd
（1）声压反射率γ Y = =
（2）声压透射率d d = =
pi Z2 + Z1
1
1
Z
Z
2
2
Z
Z
i
r
p
p
r
P
超声波传感器
—介质1的声阻抗；
—介质2的声阻抗
7.1 超声波的物理基础
反射声压pr 、透射声压pd三者之
pd 2Z2
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Z1
Z2
例2：当超声波从水中入射到钢板与水的界面时，求反射率γ 、透射率d
解 ： 查表可得，Z水=14.8MPa·s·m- 1 ，Z钢=460MPa·s·m- 1，
超声波从声阻抗小的材料入 射到声阻抗大的材料时，透 射声压反而增大。
本例中，透射率d高达
193.8% ，而反射率也较大， γ达93.8%，必须予以吸收， 才不至于造成干扰。
Y d d
= = 0.938 > 0
= = 1.938 > 1 一Y = 1
8
8
.
.
14
14
460
460
超声波传感器
7.1 超声波的物理基础
7.1.5 垂直入射时的反射与透射
10
则有
7.1.6 超声波在介质中的衰减
由于多数介质中都含有微小的结晶体或不规则的缺陷，
超声波在这样的介质中传播时，在晶体的交界面或缺陷界面 上会引起散射，从而引起超声波声强的下降。
以固体介质为例，设超声波进入介质时的声强为Ii ，通过一
定距离x的介质后的声强衰减为Ix ，衰减系数为K ，则有：
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超声波传感器
7.1 超声波的物理基础
= Ii e-Kx
I
x
超声波的概念
传播波型
声速、波长与指向性
反射、折射、透射 在介质中的衰减
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超声波传感器
重
点
7.1 超声波的物理基础
小节
7.1 超声波的物理基础
7.2 超声波传感器的应用
第七章 超声波传感器
提纲
内容
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7.2.1 什么是超声波传感器？
超声波传感器： 能够发射和接收超生波的装置，习惯上称为超声波探头。
。
超声波传感器的工作原理主要采用压电式。
什么是压电式？ 压电效应和逆压电效应
超声波传感器
7.2 超声波的应用
压电陶瓷
石英
超声波探头又分为直探头、 斜探头、 双探头、水浸探头等
超声波传感器
7.2 超声波的应用
4
水浸探头
斜探头
双探头
直探头
a）单晶直探头
b）双晶直探头
c）斜探头
超声波传感器
7.2 超声波的应用
超声波探头的结构
。
。
当超声波经被测物反射回到压电晶片时， 利用压电效应，将机械振动波转换成同 频率的交变电荷和电压。
将数百伏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。
超声波传感器
7.2 超声波的应用
发射与接收超声波的原理
a） 超声发射器 b）超声接收器
7
7—超声波束
超声波传感器
1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 5— 引脚 6— 阻抗匹配器
7.2 超声波的应用
空气传导型超声探头
超声波探头不能直接在被测物表面摩擦，必须在
探头和被测物表面之间加入耦合剂。
耦合剂的功能： 排挤空气，避免杂乱反射。
。
超声波传感器
常用的耦合剂： 有自来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊等。
7.2 超声波的应用
7.2.2 耦合技术
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超声波传感器
透射型，可用于遥控器、防盗报 警器、接近开关等。
反射型，可用于测距、测厚、 测液位或物位、 B超等。
7.2 超声波的应用
7.2.3超声波应用的类型
（1） F1发射出第一个超声脉冲，它通过管 壁、流体及另一侧管壁被F2接收
（2） 信号经放大后再次触发F1的驱动电路， 使F1发射第二个声脉冲
（3） 然后F2发射超声脉冲， 而F1作接收器
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超声波传感器
7.2 超声波的应用
7.2.4 超声波流量计
f1 = = (c + vc )sin
f2 = = (c vc )sin
D
os
s
n
o
/si
vc
D
c
D
os
s
n
o
/si
vc
D
c +
Δf = f1 f2 = v
重复频率差Δ f 与流速v成正比，而与声速 无关，减小了温漂
超声波传感器
“ ——超声波束与流体的夹角；
v ——流体的流速；
7.2 超声波的应用
7.2.4 超声波流量计
D ——管道的直径
11
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超声波传感器
7.2 超声波的应用
7.2.4 超声波流量计
超声波流量计现场使用
超声波传感器
耦合技术
超声波的应用类型
超声波流量计
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超声波传感器
重
点
7.2 超声波的应用
小节
7.1 超声波的物理基础
7.2 超声波传感器的应用
第七章 超声波传感器
提纲
内容
7.3 无损探伤
2
。
超声波传感器
7.3.1 为什么要进行探伤？
7.3 无损探伤
破坏性实验
无损探伤
以不损坏被检验对象为前提， 探测材
料或设备的缺陷。
4
超声波传感器
7.3.2 探伤有那些方法？
7.3 无损探伤
路轨断裂事故
。
优点： 价格500元，便宜
缺点： 检测表面及接近表面缺陷
超声波传感器
7.3.3 无损探伤有那些方法？
7.3 无损探伤
荧光渗透法
。
超声波传感器
缺点： 对人体有害；
价格昂贵 4万—8万
7.3.3 无损探伤有那些方法？
7.3 无损探伤
优点： 检测内部缺陷
X光探伤
超声波传感器
对人体无害 ；
成本低6000-15000；
A型超声探伤反 射波形
缺点： 对工作表面要求平滑
7.3 无损探伤
7.3.4 超声波探伤
检测距离较深；
7
高灵敏度；
裂纹
优点：
7.3.5 超声波无损探伤仪
① A 型超声探伤仪
② B 型超声探伤仪
③ C 型超声探伤仪
。
超声波传感器
7.3 无损探伤
A型超声探伤仪
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超声波传感器
7.3.6 为什么超声波能够探伤？
7.3 无损探伤
入射波
反射波
折射波
钢板
空气
a,
a
β
裂纹
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超声波传感器
7.3.6 为什么超声波能够探伤？
δ = t c
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根
7.3 无损探伤
超声波测厚
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超声波传感器
7.3.7 超声波无损探伤原理
7.3 无损探伤
缺陷反射波
起始波
底波
例题4：已知显示器的X 轴为10 μs /div (格) ， 超声波在钢板的传输速度 为 5900m/s,
测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求钢板的厚度δ 以及缺陷与表 面的距离 xF 。
tδ=6×10μs=60μs
tF = 2×10μs=20μs
δ=0.5 ×(C钢 × tδ )
=0.5×(5900×60×10-6)
=0.18m
xF =0.5 ×(C钢 ×tF)
=0.06m
超声波传感器
7.3 无损探伤
12
解：
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超声波传感器
7.3 无损探伤
7.3.8 钢轨探伤车
14
超声波传感器
7.3 无损探伤
7.3.8 钢轨探伤车
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超声波传感器
重
点
无损探伤仪的工作原理
无损探伤的概念和方法
7.3 无损探伤
超声波无损探伤仪
小节
16
超声波传感器
谢 谢！
7.3 无损探伤

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