超聲波傳感器

概述：聲波的分類

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。3/9/202312.可聽見波奇妙的音樂可使人沉醉。3/9/202323.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。3/9/20233蝙蝠依靠超聲波捕食3/9/20234超聲波與可聽見波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器

超聲波加濕器3/9/20235壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。

超聲波塑料焊接機(jī)3/9/20236超聲波金絲焊接機(jī)3/9/20237超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器3/9/20238超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的

B超影像3/9/20239超聲波用于高效清洗當(dāng)弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生確定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成很多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生確定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)探討證明：超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的裂開會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫順高達(dá)上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡裂開所產(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。3/9/202310超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽市醫(yī)用儀具廠、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物3/9/202311第一節(jié)超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機(jī)械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本事大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。3/9/202312超聲波的波型分類超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

3/9/202313縱波3/9/202314橫波

3/9/202315表面波3/9/202316

其次節(jié)超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要接受壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。3/9/202317各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）外殼用金屬制作，愛護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。愛護(hù)膜接插件3/9/202318接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端

接地端3/9/202319接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）壓電晶片粘貼在與底面成確定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生確定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件3/9/202320各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz3/9/202321接觸法雙晶直探頭將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片放射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然困難些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的限制電路較單晶直探頭簡潔。放射晶片接收晶片3/9/202322各種雙晶直探頭焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz，鋼中折射角：45

~70

3/9/202323接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）3/9/202324水浸探頭

（可用自來水作為耦合劑）選擇聲透鏡形態(tài)，可確定聚焦形式為點(diǎn)聚焦或線聚焦。3/9/202325聚焦探頭由于超聲波的波長很短（毫米數(shù)量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成特別細(xì)的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以辨別試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭接受曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波；也可以接受兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡；也可以利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。3/9/202326聚焦探頭原理及外形水浸聚焦探頭3/9/202327超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片放射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。3/9/202328壓電陶瓷的主要性能指標(biāo)

1)介電常數(shù)：1000~60002)壓電靈敏度D33

：300~600pC/N3)機(jī)械品質(zhì)因素Q：100~20004)居里溫度：300~400C5）靜電容：1000~100000pF（與面積有關(guān)）

6）頻率范圍：用于超聲清洗：30~100KHz

用于探傷儀及流量計(jì)：2.5~5MHz

用于霧化器：1~2MHz3/9/202329耦合劑

超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間猛烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必需將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順當(dāng)?shù)厝肷涞奖粶y介質(zhì)中。在工業(yè)中，常常運(yùn)用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充溢在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。3/9/202330空氣超聲探頭

a）

超聲放射器b）超聲接收器1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器