自动检测 第七章ppt课件.ppt
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1、自动检测技术,第七章 超声波传感器,本章介绍超声波的物理基础,超声波换能器的分类、结构,耦合技术等,介绍超声波在检测技术中的应用,也涉及无损探伤的原理、方法及设备。,7.1 超声波物理基础7.2 超声波换能器及耦合技术7.3 超声波传感器的应用7.4 无损探伤,第七章 超声波传感器 目录,一、超声波的物理基础,1、声波的分类:次声波、可闻声波与超声波。频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。超声波的特性:指向性好,能量集中。1MHz的超声波的能量,相当于振幅相同,频率为1000Hz可闻声波的100万倍,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。但在遇到两种介质的分界面,能产生明显的反射和折射现象。
2、,次声波是频率低于20赫兹的声波,人耳听不到,但可与人体器官发生共振,8Hz左右的次声波会引起人的恐怖感,动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。,次声波,可闻声波(20Hz20kHz),如果用音乐领域中的频段来划分,可以分为低音和中音以及高音。,超声波,蝙蝠能发出和接收超声波。,蝙蝠依靠超声波定位,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的特性指向性很好,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。,2、超声波的波型分类,1超声波发生器 2钢材,纵波,纵波质点
3、的运动方向,表面波在钢材表面的传播,纵波在钢材中的传播,横波,纵波(疏密波),纵波是指在介质中传播时,波的传播方向与质点振动方向一致。,横波,横波也称“凹凸波”,是介质粒子振动方向和波行进方向垂直的一种波。也称S波,若此波沿着x轴移动,则振动方向为与x轴垂直的方向上。,表面波,固体的质点在固体表面的平衡位置附近做椭圆形轨迹的振动,使振动波只沿着固体的表面向前传播即为表面波。,3、声速、波长与指向性,a、声速是声波在介质当中传播的速度,它的量值取决于介质的弹性系数、密度以及声阻抗。声阻抗Z等于介质的密度和声速c的乘积,即:Z= c其中固体的横波声速约为纵波声速的50%。而表面波(慢波)声速又约为
4、横波声速的90%。介质的声速与温度成反比。b、波长与波频率f的乘积等于声速c,即: f= cc、超声波的波束是以一定的角度向外扩散的,声场指向性及指向角如图所示。在声束横截面的中心轴线上,超声波最强,且随着扩散角度的增大而减小。指向角(单位为rad)与超声源的直径D以及波长之间的关系为:sin=1.22 / D,超声波的指向角,几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系(环境温度为0),4、超声波入射时的反射与折射,Pc入射波 入射角 Pr反射波 r反射角 Ps折射波 折射角,超声波的反射定律,超声波入射角的正弦与反射角 r的正弦之比,等于入射波所处介质的声速c1与反射波所处介质的声速cr之比,即
5、:sin/sinr=c1/cr如果反射波的波型与入射波的波型都是纵波,则有:r=,超声波的折射定律,入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于超声波在入射波所处介质1的声速c1与折射波所处介质2中的传播速度cs之比,即:sin/sin = c1 /cs在图中看到,折射角大于入射角,说明第二介质的声速cs大于第一介质的声速c1(与密度有关)。如果当入射角足够大时,将导致折射角 =90,则折射波转换为表面波。,5、垂直入射时的反射与透射,a、声压是指介质质点所受的交变压强与静压强的差值。声压p与介质密度、声速c、介质质点的振幅x以及振动角频率成正比关系,即:p= *cxb、声强是指单位时间内垂直于声波传
6、播方向上的单位面积A内所通过的声能。声强I与声压p的二次方成正比关系,与声阻抗Z成反比关系,即:I=1/2*p2/Z,C、反射率与折射率,当声波垂直入射到光滑的界面上时的示意图如图所示,入射声压pi、反射声压pr、透射声压pd三者之间满足如下关系: p i+ pr = pd反射波和透射波声压的比例与组成界面的两种介质的声阻抗Z有关。界面一侧的总声压等于另一侧的总声压,压强处于平衡状态。将反射声压pr与入射波声压pi之比称为声压反射率。,与此对应,透射波声压pd与入射波声压pi之比称为声压透射率d:Z1介质1的声阻抗;Z2介质2的声阻抗,反射率与折射率的讨论,1)当介质1与介质2的声阻抗相等或十
7、分接近时,=0,d=1。即不产生反射波,可以视为全透射。2)当超声波从声阻抗(Z1)低的介质射向声阻抗(Z2)高的介质时,反射声压pr与入射声压pi相位相同,但透射声压pd却大于入射声压p i (能量仍然守恒) 。3)当超声波从声阻抗(Z1)大的介质射向声阻抗(Z2)小的介质时,反射声压pr与入射声压pi相位相反,且透射声压pd小于入射声压pi。,例:当超声波从水中入射到钢板与水的界面时,求:反射率、透射率d。,解:查表7-1可得,Z水=14.8MPasm-1,Z钢=460MPasm-1,则有,以上计算说明,超声波从声阻抗小的材料(密度通常也较小),入射到声阻抗大的材料(密度通常也较大,例如钢
8、)时,透射声压增大。本例中,透射率d达到了193.8%,而反射率也较大,达93.8%,必须予以吸收,才不至于造成干扰。,注:透射声强Id仍然小于入射声强I i,而且遵守能量守恒定律: I d +I r =Ii,水浸探头在水中将超声波耦合到钢板中的反射率与透射率,例:上例中,当超声波已经在钢板中传播了一段距离l,并到达钢板底面时,若底面是钢、水界面,再求反射率2及透射率d2。解:与上题相反,2水,1钢,所以有:,以上计算表明,超声波从声阻抗大的材料透射到声阻抗小的材料时,声压的大部分被反射。本例中,反射率高达93.8%,透射到水中的声压pd1只有6.2%。如果钢板的底面是与空气交界时,则泄漏量就
9、更小了。超声波的这一特性有利于金属探伤和测厚。,6、超声波在介质中的衰减,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: Ix= I ie -K x,介质的晶粒越粗或密度越小,K 就越大,衰减就越快;频率越高,衰减也越快。气体的密度很小,因此衰减较快,因此在空气中传导的超声波的频率选得较低,约数十千赫。而在固体、液体中则选用较高的超声频率(MHz数量级)。,1超声探头 2耦合剂 3试件 4被测试点,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,在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头
10、、斜探头、双探头、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。,二、超声波换能器及耦合技术,a)单晶直探头 b)双晶直探头 c)斜探头1接插件 2外壳 3阻尼吸收块 4引线 5压电晶体 6保护膜 7隔离层 8延迟块 9有机玻璃斜楔块 10耦合剂 11试件,1、固体传导介质超声探头,各种超声波探头,常用频率范围:0.510MHz,常见晶片直径:530mm,接触式直探头(纵波垂直入射到被检介质),外壳用金属制作,保护膜用硬度很高的耐磨材料制作,防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,a、接触式直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,保护膜,被测物上表面,耦合剂,
11、b、接触式双晶直探头,将两个单晶探头组合装配在同一壳体内,其中一片发射超声波,另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些,但检测精度比单晶直探头高,且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,双晶直探头外观,焦距范围:540mm, 频率范围:2.55MHz,在钢中的折射角:45 70,c、接触式斜探头(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30、45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,超声波将产生一定角度的折射,倾斜入射到试件中去,可产生多次反射,而传播到较
12、远处去。,底部耐磨材料,接插件,瑞利波和兰姆波,瑞利波:一种界面弹性波。是沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波 。由 L.瑞利于 1887 年首先指出其存在而得名。地震学中称其为R波或L波。在表层附近,质点的运动轨迹为椭圆;在离表面为 0.2 个波长的深度以下,其运动轨迹仍为椭圆,但运动方向与表层相反。,兰姆波:因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波,它在整个物体内传播,质点作椭圆轨迹运动。多用于金属薄板的无损探伤。选择较短波长的兰姆波有利于缺陷的检出。,接触式斜探头外观,常用频率范围:15MHz,d、聚焦探头,由于超声波的波长很短(毫米数量级),所以它也类似光波,可以被聚焦成十分细的
13、声束,其直径可小到1mm左右,可以分辨试件中细小的缺陷,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;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焦超声波。,水浸聚焦探头外形(可用水作为耦合剂),选择声透镜形状,可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。,e、箔式探头,使用高分子压电薄膜(聚偏二氟乙烯),制作出的薄膜式探头。可以发射0.2mm的超细声束,应用于医疗诊断,来获得高清晰的图像。,2、空气传导介质超声探头,a)超声发射器 b)超声接收器 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超声波束,空气超声探头外形
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