车辆检测技术超声波传感器文档格式.docx
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密度ρ/
声阻抗Z/
纵波声速CL/
横波声速CS/
103kg/m-1
10MPa•s-1
km/s
km/s
钢
7.8
46
5.9
3.23
铝
2.7
17
6.32
3.08
铜
8.9
42
4.7
2.05
有机玻璃
1.18
3.2
2.73
1.43
甘油
1.26
2.4
1.92
---
水（20︒C）
1.0
1.48
油
0.9
1.28
1.4
空气
0.0013
0.0004
0.34
在固体介质中声波的速度为：
①纵波声速：
（细棒）
（8-2）
（薄板）
（8-3）
（无限大介质）
（8-4）
②横波声速：
（8-5）
③表面波声速：
（8-6）
在上列各式中，
——杨氏弹性模量；
——密度；
——泊松比；
——体积弹性模量；
——剪切弹性模量。
将式（8-5）比（8-4）得，
。
因此，在固体中，横波的声速约是纵波的一半。
2波长
超声波的波长
与频率
的乘积恒等于声速
，即
（8-7）
3指向性
超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。
指向角θ与超声源
的直径D、以及波长λ之间的关系为：
（8-8）
4超声波的波型
有纵波，横波，表面波（亦称瑞利波）和兰姆波。
三超声波的传播特性
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。
设有某种弹性介质及振荡源，如图8-1所示。
振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡如图8-1a）所示和纵向振荡如图8-1b）所示。
横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。
为了测量在各种状态下的物理量多数采用纵向振荡。
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。
对于液体及气体，其传播的速度为：
（8-9）
式中，
为介质的密度；
Bg为绝对压缩系数。
在固体中的传播速度为
，式中，E为固体的弹性模量；
为泊松比。
1超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，如图8-2所示。
图中具有下列关系：
（8-10）
式中，c1、c2分别为超声波在介质I和介质II中的速度；
为入射角；
为折射角。
设
为临界入射角，当
时
，则
（8-11）
当
时，则只产生反射波。
2超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。
设超声波进入介质时的强度为I0，通过介质后在距离声源d处的强度为I，则有
（8-12）
式中，d为介质的厚度；
A为介质对超声波能量的吸收系数。
对于液体介质，超声波能量的吸收系数为：
（8-13）
式中，f为超声波频率；
c为超声波速度；
为介质粘度；
为导热系数；
K＝cp/cv和外为恒压及恒容积情况下的热容量。
对于固体介质，超声波能量的吸收系数为：
（8-14）
为介质的质量因数。
介质的吸收程度与频率与介质密度有很大关系。
气体很小，故超声波在其中衰减很快，尤其在f较高时衰减更快。
故超声波仪表主要用于固体及液体中。
第二节超声波换能器及耦合技术
一超声波换能器
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波换能器，或者超声波探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波，小功率超声探头多作探测作用。
超声波探头按其工作原理可分为：
压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中以压电式最为常用。
从结构分：
直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等。
1以固体为传导介质的超声探头
（1）单晶直探头
超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。
（2）双晶直探头
它是由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。
其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。
（3）斜探头
当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。
（4）聚焦探头
聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波。
（5）箔式探头
利用聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头。
2以空气为传导介质的超声探头
此类超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同。
3耦合剂
耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。
如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法测量。
因根据使用情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；
当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。
高温工件应选用高温耦合剂。
其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。
常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。
有时为了减少耦合剂的成本，还可在单晶直探头、双晶直探头或斜探头的侧面，加工一个自来水接口。
二超声波发生器
1压电式超声波发生器
压电片
超声波
图8-3压电式超声波发生器
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。
常用的压电材料为石英晶体、锆钛酸铅压电陶瓷等。
在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，如图8-3所示。
压电材料的固有频率f与晶体片厚度d有关，即
（8-15）
式中，n=1，2，3，…是谐波的级数；
c为波在压电材料里的传播速度（纵波）：
（8-16）
式中，E为杨氏模量；
为压电材料的密度。
对于石英晶体：
E=7.70，
；
对于锆钛酸铅：
E=8.300，
因此，压电材料的固有频率为:
（8-17）
1-接拴2、8、10、13-吸音材料3-前面板4、5、9、14、17-振子6-波导楔7-缺陷11-电缆12-橡胶盒15-滤网16-喇叭18-端子板
图8-4各种压电式超声波换能器的结构
根据共振原理，当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。
压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。
各种压电式超声波换能器的结构如图8-4所示。
图8-5磁致伸缩超声波发生器
2
磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。
镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。
如果先加一定的直流磁场，再加一交流电时，它可工作在特性最好的区域。
磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。
磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。
其结构形状有矩形、窗形等，如图8-5所示。
超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压电式的相同，即式（8-17）
如果振动器是自由的，则n=l，2，3，…，如果振动器的中间部分固定，则n=1，3，5，…。
磁致伸缩超声波发生器的材料，除镍外，还有铁钴钒合金（铁49%，钴49%，钒2%）和含锌、镍的铁氧体。
磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W，声强可达几千W／cm2，能耐较高的温度。
磁致伸缩效应与电致伸缩效应同样是二次非线性效应，使用中加直流偏置磁场。
图8-6所示即为典型的结构，图8-6（a）是角型振子，图8-6（b）是圆筒型振子，图8-6（c）是采用铁氧体角型振子。
这种换能器上限频率到100KHz左右，主要用于海洋测量鱼群探测器和声纳。
1-发射接收波面2-偏置用磁头
图8-6磁致伸缩型振子的形状
三超声波的接收
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。
在超声波技术中，除了需要能产生一定频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。
一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。
当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。
这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。
它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。
磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。
当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩，引起它的内部磁场（即导磁特性）的变化。
根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，并将此电动势送到测量电路及记录显示设备。
它的结构也与发生器差不多。
第三节超声波传感器的探伤应用
超声波由于具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波探伤法是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性，即缺陷或伤的一种方法，是无损检验一种重要手段。
常用的超声波探伤法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。
一共振法
共振法是根据声波（频率可调的连续波）在工件中呈共振状态来测量工件厚度或判断有无缺陷的方法。
这种方法主要用于表面较光滑的工件的厚度检测，也可用于探测复合材料的粘合质量和钢板内的夹层缺陷检测。
声波在工件内传播时，如入射波与反射波同相位（即工件厚度为超声波波长
的一半或成整数倍时），则引起共振。
共振法测厚的公式为：
（8-18）
在测得共振频率f和共振次数n后，便可计算材料的厚度。
共振法的特点是：
可精确的测厚，特别适宜测量薄板及薄壁管；
工件表面光洁度要求高，否则不能进行测量。
二穿透法
穿透法又称透射法，穿透法是将二个探头分别置于工件相对的两面，一个发射超声波，使超声波从工件的一个界面透射到另一个界面，在该界面处用另一个探头来接收。
根据超声波穿透工件后的能量变化情况，来判断工件内部质量。
工件内无缺陷时，接收到的超声波能量较强；
一旦有缺陷，声波受缺陷阻挡，则将在缺陷后形成声影，这样就可根据接收到的超声波能量的大小来判定缺陷的大小。
探测灵敏度除与仪器有关外，还取决于声影的缩小，声影的缩小则是由于声波在缺陷边缘绕射造成的。
在缺陷后l1的距离内，声影是不缩小的，其值为：
（8-19）
式中，R——缺陷半径；
——波长。
在l1后声影偏转一个角度a，而后逐渐减小，声影变为一点时的最大距离l为灵敏度的极限值。
a可用下式求得：
（8-20）
式中，D——缺陷的直径。
在穿透法探伤中，可采用连续波和脉冲波两种不同的方法。
穿透法具有以下特点：
探测灵敏度较低，不易发现小缺陷；
根据能量的变化即可判断有无缺陷，但不能定位；
适宜探测超声波衰减大的材料；
可避免盲区，适宜探测薄板；
指示简单，便于自动探伤；
对两探头的相对距离和位置要求较高。
三脉冲反射法
脉冲反射法是将脉冲超声波入射至被测工件后，传播到有声阻抗差异的界面上（如缺陷与工件的界面）时，产生反射声波，波在工件的反射状况就会显示在荧光屏上，根据反射的时间及形状来判断工件内部缺陷及材料性质的方法。
如图8-7，8-8所示，根据入射声波型不同可分成如下几种：
纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法、兰姆波探伤法。
1纵波探伤法：
纵波探伤法是使超声波波束垂直或倾斜入射（倾斜角不大于临界角）被测工件而进行探伤的方法。
2横波探伤法：
横波探伤法是声波以一定角度入射到工件产生波型转换，而利用横波进行探伤的方法。
3表面波探伤法：
这种方法是表面波沿着工件的表面传播来进行探伤的方法
4法兰姆波探伤法：
这种方法是兰姆波沿着板（或壁管）两表面及中间传播来进行探伤的方法。
脉冲反射法的特点是：
探测灵敏度高；
能准确地确定缺陷的位置和深度；
可用不同波型探测，应用范围广。
为使探头有效地向工件发射超声波和有效地接收超声波，必须使探头和工件探测面之间有良好的声耦合。
良好的声耦合可以通过填充耦合介质来实现，以避免空气的存在，因为空气层的存在将使声能几乎完全被反射。
探头和工件的耦合方式可分直接接触法和液浸法二种。
液浸法与接触法的特点：
接触法比液浸法简单、灵活，但接触法的波形不稳定（因受手工操作时压力的影响），而液浸法波形稳定；
液浸法不必将探头与工件直接接触，便于实现自动化探伤；
液浸法适宜探测表面粗糙的工件，不磨损探头晶片；
液浸法的声束方向可连续改变，易探测倾斜的缺陷；
液浸法可控制波束，可以用聚焦探头提高灵敏度；
液浸法要求用清洁的液体，否则会降低探测灵敏度。
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