第一篇：超聲波原理及應(yīng)用專題小論文

超聲波原理及其在生活中的應(yīng)用

電子1103 李志 11214066 摘要：

本文第一部分主要介紹超聲波產(chǎn)生與傳播及其特點，包括什么是超聲波、波的傳播、超聲波的特點等；第二部分主要介紹實驗過程，包括實驗方法、實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果；第三部分主要介紹超聲波技術(shù)的應(yīng)用，包括超聲波傳感器、超聲波測距、超聲波在醫(yī)療方面的應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：

超聲波、產(chǎn)生及傳播原理、特點、實驗方法、發(fā)展及應(yīng)用

背景：

自19世紀末到20世紀初，在物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。1922年，德國出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。1939年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻報道。40年代末期超聲治療在歐美興起，直到1949年召開的第一次國際醫(yī)學超聲波學術(shù)會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1956年第二屆國際超聲醫(yī)學學術(shù)會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進入了實用成熟階段。并且在21世紀(HIFU)超聲聚焦外科已被譽為是21世紀治療腫瘤的最新技術(shù)。

正文：

一、超聲波的產(chǎn)生與產(chǎn)生及其原理

1、什么是超聲波 所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到20赫茲（Hz）-20千赫茲（kHz）的聲波，低于20赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過20千赫茲的聲波稱為超聲波。超聲波是聲波大家族中的一員，和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量和動量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。

2、波的傳播

超聲波是波的一種，他的傳播完全符合波的傳播特點。所以超聲波在介質(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有如下三種波形: 1縱波波形：當媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向平行時，此超聲○波為縱波波形。任何固體介質(zhì)當其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。

2橫波波形：當媒質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直時，此種超○聲波為橫波波形。由于媒質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當其有剪切應(yīng)力交替作用于媒質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。

3表面波波形：○是沿著兩種媒質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成, 振動質(zhì)點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很微弱了。

3、超聲波傳播的特點 總的來說與可聞波相比,超聲波由于頻率高、波長短,在傳播過程中具有許多其特有的性質(zhì): 1)方向性好。由于超聲波的頻率高,其波長較同樣介質(zhì)中的聲波波長短得多,衍射現(xiàn)象不明顯,所以超聲波的傳播方向好。

2)能量大。超聲波在介質(zhì)中傳播,當振幅相同時,振動頻率越高能量越大。因此,它比普通聲波具有大得多的能量。

3)穿透能力強。超聲波雖然在氣體中衰減很強,但在固體和液體中衰減較弱。在不透明的固體中,超聲波能夠穿透幾十米的厚度,所以超聲波在固體和液體中應(yīng)用較廣。

4)引起空化作用。在液體中傳播時,超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波,液體時而受拉時而逐級壓,產(chǎn)生近于真空或含少量氣體的空穴。在聲波壓縮階段,空穴被壓縮直至崩潰。在空穴崩潰時產(chǎn)生放電和發(fā)光現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為空化作用。

也正是這些特點，使得超聲波在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事等眾多方面都有著及其廣泛的應(yīng)用。

二、實驗過程 1． 直探頭延遲的測量

超聲波實驗儀接上直探頭，并把探頭放在CSK-IB試塊的正面，儀器的射頻輸出與示波器第1通道相連，觸發(fā)與示波器外觸發(fā)相連，示波器采用外觸發(fā)方式，適當設(shè)置超聲波實驗儀衰減器的數(shù)值和示波器的電壓范圍與時間范圍，使示波器上看到的波形如圖1.7所示。

在圖1.7中，S稱為始波，t0對應(yīng)于發(fā)射超聲波的初始時刻；B1稱為試塊的1次底面回波，t1對應(yīng)于超聲波傳播到試塊底面，并被發(fā)射回來后，被超聲波探頭接收到的時刻，因此t1對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復傳播的時間；B2稱為試塊的2次底面回波，它對應(yīng)于超聲波在試塊內(nèi)往復傳播到試塊的上表面后，部分超聲波被上表面反射，并被試塊底面再次反射，即在試塊內(nèi)部往復傳播兩次后被接收到的超聲波。依次類推，有3次、4次和多次底面反射回波。從示波器上讀出傳播t1和t2，則直探頭的延遲為

t?2t1?t2（結(jié)果為0.4μs）(1.6)2． 脈沖波頻率和波長的測量

調(diào)節(jié)示波器時間范圍，使試塊的1次底面回波出現(xiàn)在示波屏的中央，脈沖波的振幅小于1V。測量兩個振動波峰之間的時間間隔，則得到一個脈沖周期的振動時間t，則脈沖波的頻率為f=1/t；已知鋁試塊的縱波聲速為6.32mm/us，則脈沖波在鋁試塊中的波長為l=6.32t。

3． 波型轉(zhuǎn)換的觀察與測量 把超聲波實驗儀換上可變角探頭，參照圖1.8把探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊背面，使探頭的斜射聲束只打在R2圓弧面上。適當設(shè)置超聲波實驗儀衰減器的數(shù)值和示波器的電壓范圍

圖1.8觀察波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 與時間范圍。改變探頭的入射角，并在改變的過程中適當移動探頭的位置，使每一個入射角對應(yīng)的R2圓弧面的反射回波最大。則在探頭入射角由小變大的過程中，我們可以先后觀察到回波B1、B2和B3；它們分別對應(yīng)于縱波反射回波、橫波反射回波和表面波反射回波。

讓探頭靠近試塊背面，通過調(diào)節(jié)入射角調(diào)，使能夠同時觀測到回波B1和B2（如圖1.9），且它們的幅度基本相等；再讓探頭逐步靠近試塊正面，則又會在B1前面觀測到一個回波b1，4． 折射角的測量

確定B1、B2的波型后，可以分別測量縱波和橫波的折射角。參照圖1.10首先讓把探頭的縱波聲束對正（回波幅度最大時為正對位置）CSK-IB試塊上的橫孔A，用鋼板尺測量正對時探頭的前沿到試塊右邊沿的距離LA1；然后向左移動探

圖1.9橫波和縱波的測量 頭，再讓縱波聲束對正橫孔B，并測量距離LB1。測量A和B的水平距離L和垂直距離H，則探頭的折射角為：

?1?tan?1(LB1?LA1?L)(測為46.6度)H（1.7）

同樣的方法可以測量橫波的折射角?2。

圖1.10折射角的測量

5.聲速的直接測量方法

根據(jù)公式（2.1），當利用確定反射體（界面或人工反射體）測量聲速時，我們只需要測量該反射體的回波時間，就可以計算得到聲速。而對于單個的反射體，得到的反射波如圖2.1所示。能夠直接測量的時間包含了超聲波在探頭內(nèi)部的傳播時間t0，即探頭的延遲。對于任何一種探頭，其延遲只與探頭本身有關(guān)，而與被測的材料無關(guān)。因此，首先需要測量探頭的延遲，然后才能利用該探頭直接測量反射體回波時間。

圖2.1 縱波延遲測量

（1）直探頭延遲測量（參看實驗1）。（2）斜探頭延遲測量

參照圖2.2把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束能夠同時入射在R1和R2圓弧面上。適當設(shè)置超聲波實驗儀衰減器的數(shù)值和示波器的電壓范圍與時間范圍。在示波器上同時觀測到兩個弧面的回波B1和B2。測量它們對應(yīng)的時間t1和t2。由于R2=2R2，因此斜探頭的延遲為：

t?2?t1?t2

(2.7)（3）斜探頭入射點測量

在確定斜探頭的傳播距離時，通常還要知道斜探頭的入射點，即聲束與被測試塊表面的相交點，用探頭前沿到該點的距離表示，又稱前沿距離。

參照圖2.2把斜探頭放在試塊上，并使探頭靠近試塊正面，使探頭的斜射聲束入射在R2圓弧面上，左右移動探頭，使回波幅度最大（聲束通過弧面的圓心）。這時，用鋼板尺測量探頭前沿到試塊左端的距離L，則前沿距離為：

L0?R2?L

(2.8)圖2.2斜探頭延遲和入射點測量

6.聲速的相對測量方法

如果被測試塊有兩個確定的反射體，那么通過測量兩個反射體回波對 應(yīng)的時間差，再計算出試塊的聲速。這種方法稱為聲速的相對測量方法。

對于直探頭，可以利用均勻厚度底面的多次反射回波中的任意兩個回波進行測量。

對于斜探頭，則利用CSK-IB試塊的兩個圓弧面的回波進行測量。

7.聲束擴散角的測量

如圖3.3所示，利用直探頭分別找到B?1通孔對應(yīng)的回波，移動探頭使回波幅度最大，并記錄該點的位置x0及對應(yīng)回波的幅度；然后向左邊移動探頭使回波幅度減小到最大振幅的一半，并記錄該點的位置x1；同樣的方法記錄下探頭右移時回波幅度下降到最大振幅一半對應(yīng)點的位置x2；則直探頭擴散角為：

??2tg?

1|x2?x1|

2L（3.2）

圖3.3 探頭擴散角的測量

對于斜探頭，首先必須測量出探頭的折射角?，然后利用測量直探頭同樣的方法，按下式計算斜探頭的擴散角近似為：

??2tg?1[8.直探頭探測缺陷深度

|x2?x1|cos2?] 2L（3.3）

在超聲波探測中，可以利用直探頭來探測較厚工件內(nèi)部缺陷的位置和當量大小。把探頭按圖3.4位置放置，觀察其波形。其中底波是工件底面的反射回波。

圖3.4直探頭探測缺陷深度

對底面回波和缺陷波對應(yīng)時間（深度）的測量，可以采用絕對測量方法，也可以采用相對測量方法。利用絕對測量方法時，必須首先測量（或已知）探頭的延遲和被測材料的聲速，具體方法請參看實驗二直探頭延遲和聲速的絕對測量方法。利用相對測量方法時，必須有與被測材料同材質(zhì)試塊，并已知該試塊的厚度，具體方法請參看實驗二直探頭延遲和聲速的相對測量方法。

9.斜探頭測量缺陷的深度和水平距離

利用斜探頭進行探測時，如果測量得到超聲波在材料中傳播的距離為S，則其深度H和水平距離L為：

H?S?tan(?)

L?S?ctan(?)

其中?是斜探頭在被測材料中的折射角。

(3.4)(3.5)要實現(xiàn)對缺陷進行定位，除了必須測量（或已知）探頭的延遲、入射點外，還必須測量（或已知）探頭在該材質(zhì)中的折射角和聲速。通常我們利用與被測材料同材質(zhì)的試塊中兩個不同深度的橫孔對斜探頭的延遲、入射點、折射角和聲速進行測量。參看圖3.5，A、B為試塊中的兩個橫孔，讓斜探頭先后對正A和B，測量得到它們的回波時間tA、tB，探頭前沿到橫孔的水平距離分別為xA、xB，已知它們的深度為HA、HB，則有：

圖3.5斜探頭參數(shù)測量

S?xB?xA

(3.6)(3.7)(3.8)(3.9)H?HB?HA

折射角： ??tan?1(c?S)

H聲速：

H

(tB?tA)cos(?)HB

c?cos(?)延遲：

t0?tB?(3.10)前沿距離：L0?H?tan(?)?xB（測為9.15cm）

(3.11)

三、超聲波技術(shù)的應(yīng)用

1、超聲波傳感器

由于許多儀器及控制應(yīng)用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在流量測量，材料無損檢驗及物位測量等方面，超聲波傳感器的應(yīng)用尤為普遍。所以，在此首先簡要的介紹一下超聲波傳感器。

廣義上來講，它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。

超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲換能器的種類很多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭、雙探頭(一個發(fā)射，一個接 收)、聚焦探頭(將聲波聚集成一束)、水浸探頭(可浸在液體中)以及其它專用探頭。按照實現(xiàn)超聲換能器機電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。

超聲波換能器的材料也有多種選擇，某些電介質(zhì)(例如晶體、陶瓷、高分子聚合物等)在其適應(yīng)的方向施加作用力時，內(nèi)部的電極化狀態(tài)會發(fā)生變化，在電介質(zhì)的某相對兩表面內(nèi)會出現(xiàn)與外力成正比的符號相反的束縛電荷，這種由于外力作用使電介質(zhì)帶電的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反地，若在電介質(zhì)上加一外電場，在此電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部電極化狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生與外加電場強度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫做逆壓電效應(yīng)。壓電材料是壓電換能器的研制、應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。大致可分為五類：壓電單晶體、壓電多晶體、壓電半導體、壓電高分子聚合物、復合壓電材料。其中壓電陶瓷是壓電多晶體材料，這類壓電陶瓷為實心，均勻和一體的壓電功能材料，具有優(yōu)良的壓電性能。壓電陶瓷自問世以來，至今已有30多年歷史。無論在材料基礎(chǔ)研究方面或是在應(yīng)用方面，都獲得了飛速的發(fā)展。由于壓電陶瓷的出現(xiàn)，開辟了壓電材料的廣闊前景，也使壓電換能器的理論發(fā)展和實際應(yīng)用提高到一個新的高度。壓電陶瓷是當今最有可為的壓電材料，目前在壓電材料中無論數(shù)量上還是質(zhì)量上均處于支配地位，其原因是它有如下優(yōu)點：

(l)所用原材料價廉且易得；(2)具有非水溶性，遇潮不易損壞；(3)壓電性能優(yōu)越；

(4)品種繁多，性能各異，可滿足不同的設(shè)計要求；(5)機械強度好，易于加工成各種不同的形狀和尺寸；

(6)采用不同的形狀和不同的電極化軸，可以得到所需的各種振動模式；(7)制作工藝較簡單，生產(chǎn)周期較短，價格適中。根據(jù)不同的實際應(yīng)用情況，超聲波傳感器產(chǎn)生不同頻率。如應(yīng)用在流量測量領(lǐng)域，聲波的頻率在30kHz到5MHz之間；應(yīng)用在物位測量領(lǐng)域時，聲波的頻率會低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當應(yīng)用在檢測裝置（如測厚儀和探傷檢驗裝置）上時，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來說要比用于其它領(lǐng)域時高很多。

2、超聲波測距

超聲波因其指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠等特點，而經(jīng)常用于進行各種測量。如利用超聲波在水中的發(fā)射，可以測量水深、液位等．利用超聲波測距，使用單片機系統(tǒng)，設(shè)計合理，計算處理也較方便，測量精度能達到各種場合使用的要求。

3、超聲波在醫(yī)療方面的應(yīng)用

醫(yī)學上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)；以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測【14】。如今超聲波掃描技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可缺少的工具。

醫(yī)學超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當它在體內(nèi)遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。

目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型四大類。A型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性，如實質(zhì)性、液體或是氣體是否存在等。

B型：用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時，首先將人體界面的反射信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺娙醪煌墓恻c，這些光點可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復性強，可供前后對比，所以廣泛用于婦產(chǎn)科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。

M型：是用于觀察活動界面時間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動情況，其曲線的動態(tài)改變稱為超聲心動圖，可以用來觀察心臟各層結(jié)構(gòu)的位置、活動狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。D型：是專門用來檢測血液流動和器官活動的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？纱_定血管是否通暢、管腔有否狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測定管腔內(nèi)血液的流量。近幾年來科學家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動圖解剖標志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速?，F(xiàn)在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內(nèi)窺鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病的診斷準確率大大提高。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學的進步，它將更加完善，將更好地造福于人類。

結(jié)語：

超聲學是一門應(yīng)用性和邊緣性很強的學科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學、材料科學、光學、固體物理等其他學科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲 學的發(fā)展又為這些學科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超聲探傷和超聲成像技術(shù)都是借鑒了雷達的原理和技術(shù)而發(fā)展起來的，而超聲的發(fā)展又為電子學、光電子學、雷達技術(shù)的發(fā)展提供了超聲延遲線、濾波器、卷積器、聲光調(diào)制器等重要的體波和表面波器件。通過這次的實驗，我對超聲波的各方面都有了一定的了解，我相信這對我以后的學習和運用都有很大的幫助，另外，雖然我沒有參加物理實驗競賽，但是自己用超聲波弄了一個非接觸式體溫計，雖然做得不太好，但也算是超聲波傳感器的一種應(yīng)用吧。

參考文獻：

1、《大學物理實驗》牛原

2、百度百科-超聲波原理和應(yīng)用

3、搜搜百科-超聲波原理和應(yīng)用

第二篇：超聲波原理及應(yīng)用科技小論文

超聲波原理及應(yīng)用

土建學院土木120412231103朱飄揚

一、摘要：本文對超聲波原理及應(yīng)用專題實驗該實驗進行了一些的總結(jié)與討論，同時結(jié)合自己在做實驗時學到的知識擴展到現(xiàn)實生活中，查閱了相關(guān)資料，對實驗涉及的知識點加強了理解和認識。

二、關(guān)鍵詞：超聲波、產(chǎn)生及原理、傳播及反射、應(yīng)用。

三、背景：正常人的聽覺可以聽到20赫茲（Hz）-20千赫茲（kHz）的聲波，當聲波的振動頻率小于20Hz或大于20KHz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。由于超聲波的頻率高,其波長較同樣介質(zhì)中的聲波波長短得多,衍射現(xiàn)象不明顯,所以超聲波的傳播方向好。超聲波在介質(zhì)中傳播,當振幅相同時,振動頻率越高能量越大。因此,它比普通聲波具有大得多的能量。超聲波雖然在氣體中衰減很強,但在固體和液體中衰減較弱。在不透明的固體中,超聲波能夠穿透幾十米的厚度,所以超聲波在固體和液體中應(yīng)用較廣。

四、論述

1、超聲波的產(chǎn)生與傳播 當利用確定反射體（界面或人工反射體）測量聲速時，只需要測量該反射體的回波時間，就可以計算得到聲速。而對于單個的反射體，能夠直接測量的時間包含了超聲波在探頭內(nèi)部的傳播時間t0，即探頭的延遲。對于任何一種探頭，其延遲只與探頭本身有關(guān)，而與被測的材料無關(guān)。因此，首先需要測量探頭的延遲，然后才能利用該探頭直接測量反射體回波時間。

直探頭：延遲t=2t1-t2

CL=(2L)/(t2-t1)邪探頭：延遲t=2t1-t2CL=(2R2-2R1)/(t2-t1)

2、折射角的測量

B1為試塊的1次底面回波，B2 稱為試塊的2次底面回波，確定B1、B2的波型后，可以分別測量縱波和橫波的折射角。讓把探頭的縱波聲束對正（回波幅度最大時為正對位置）CSK-IB試塊上的橫孔A，用鋼板尺測量正對時探頭的前沿到試塊右邊沿的距離LA1；然后向左移動探頭，再讓縱波聲束對正橫孔B，并測量距離LB1。測量A和B的水平距離L和垂直距離H，則探頭的折射角為：

?1?tan?1(LB1?LA1?L)

H3、超聲波探測

聲束擴散角的測量：

直探頭：利用直探頭分別找到B1通孔對應(yīng)的回波，移動探頭使回波幅度最大，并記錄該點的位置x0及對應(yīng)回波的幅度；然后向左邊移動探頭使回波幅度減小到最大振幅的一半，并記錄該點的位置x1；同樣的方法記錄下探頭右移時回波幅度下降到最大振幅一半對應(yīng)點的位置x2；則直探頭擴散角為：

??2tg?1|x2?x1| 2L斜探頭：測量出探頭的折射角β，然后利用測量直探頭同樣的方法，按下式計算斜探頭的擴散角近似為：

??2tg?1[|x2?x1|cos2?] 2L要實現(xiàn)對缺陷進行定位，除了必須測量（或已知）探頭的延遲、入射點外，還必須測量（或已知）探頭在該材質(zhì)中的折射角和聲速。通常我們利用與被測材料同材質(zhì)的試塊中兩個不同深度的橫孔對斜探頭的延遲、入射點、折射角和聲速進行測量。

五、拓展

超聲學是一門應(yīng)用性和邊緣性很強的學科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學、材料科學、光學、固體物理等其他學科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲學的發(fā)展又為這些學科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超聲探傷和超聲成像技術(shù)都是借鑒了雷達的原理和技術(shù)而發(fā)展起來的，而超聲的發(fā)展又為電子學、光電子學、雷達技術(shù)的發(fā)展提供了超聲延遲線、濾波器、卷積器、聲光調(diào)制器等重要的體波和表面波器件。超聲波在軍事中的應(yīng)用主要運用超聲波方向性好的特性。由于超聲波基本上是沿直線傳播的，可以定向發(fā)射，如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器，它旋轉(zhuǎn)著向各個方向發(fā)射超聲波，當超聲波遇到魚群時會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫聲納。它也可以用來探測水中的暗礁和敵人的潛艇以及測量海水的深度。參考文獻：《大學物理實驗》成正維、牛原 搜搜百科-超聲波原理和應(yīng)用

第三篇：超聲波檢測技術(shù)及應(yīng)用

超聲波檢測技術(shù)及應(yīng)用

劉贛

（青島濱海學院，山東省青島市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)266000）

摘 要：無損檢測(nondestructive test)簡稱 NDT。無損檢測就是不破壞和不損傷受檢物體，對它的性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進行檢測的一種技術(shù)。本文主要講的是超聲波檢測（UT）的工作原理以及在現(xiàn)在工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測；縱波；工業(yè)應(yīng)用；無損檢測

1.超聲波檢測介紹 1.1超聲波的發(fā)展史

聲學作為物理學的一個分支, 是研究聲波的發(fā)生、傳播、接收和效應(yīng)的一門科學。在1940 年以前只有單晶壓電材料, 使得超聲波未能得到廣泛應(yīng)用。20 世紀70 年代, 人們又研制出了PLZT 透明壓電陶瓷, 壓電材料的發(fā)展大大地促進了超聲波領(lǐng)域的發(fā)展。聲波的全部頻率為10-4Hz～1014Hz, 通常把頻率為2×104Hz～2×109Hz 的聲波稱為超聲波。超聲波作為聲波的一部分, 遵循聲波傳播的基本定律, 1.2超聲波的性質(zhì)

1）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，達到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產(chǎn)生強烈的沖擊（基于“空化現(xiàn)象”）。從而引出了“功率超聲應(yīng)用技術(shù)“例如“超聲波清洗”、“超聲波鉆孔”、“超聲波去毛刺”（統(tǒng)稱“超聲波加工”）等。

2）超聲波具有良好的指向性

3）超聲波只能在彈性介質(zhì)中傳播，不能再真空中傳播。一般檢測中通常把空氣介質(zhì)作為真空處理，所以認為超聲波也不能通過空氣進行傳播。4）超聲波可以在異質(zhì)界面透射、反射、折射和波型轉(zhuǎn)化。5）超聲波具有可穿透物質(zhì)和在物質(zhì)中衰減的特性。

6）利用強功率超聲波的振動作用，還可用于例如塑料等材料的“超聲波焊接”。1.2超聲波的產(chǎn)生與接收

超聲波的產(chǎn)生和接收是利用超聲波探頭中壓電晶體片的壓電效應(yīng)來說實現(xiàn)的。由超聲波探傷儀產(chǎn)生的電振蕩，以高頻電壓形式加載于探頭中壓電晶體片的兩面電極上時，由于逆壓電效應(yīng)的結(jié)果，壓電晶體片會在厚度方向上產(chǎn)生持續(xù)的伸縮變形，形成了機械振動。弱壓電晶體片與焊件表面有良好的耦合時，機械振動就以超聲波形式傳播進入被檢工件，這就是超聲波的產(chǎn)生。反之，當壓電晶體片收到超聲波作用而發(fā)生伸縮變形時，正壓電效應(yīng)的結(jié)果會使壓電晶體片兩面產(chǎn)生不同極性的電荷，形成超聲頻率的高頻電壓，以回波電信號的形勢經(jīng)探傷儀顯示，這就是超聲波的接收。1.3超聲波無損檢測的原理

超聲波探傷儀的種類繁多，但在實際的探傷過程，脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。

目前便攜式的脈沖反射式超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個鋼工件中存在一個缺陷，由于這個缺陷的存在，造成了缺陷和鋼材料之間形成了一個不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當發(fā)射的超聲波遇到這個界面之后，就會發(fā)生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質(zhì)。1.4超聲波無損檢測的優(yōu)缺點 優(yōu)點：

1）探傷速度快，效率高

2）設(shè)備簡單輕巧，機動性強，野外及高空作業(yè)方便，實用

3）探測結(jié)果不受焊接接頭形式的影響，除對焊接縫外，還能檢查T形接頭及所有角焊縫。

4）對焊縫內(nèi)危險性缺陷（包括裂縫、未焊透、未熔合）檢測靈敏度高 5）易耗品極少，檢查成本低 缺點：

1）若工件表面粗糙，需磨平，人工多

2）探測結(jié)果判定困難，操作人員需經(jīng)專門培訓并經(jīng)考核幾個 3）缺陷定型及定量困難

4）探測結(jié)果的正確評定收人為思想束縛的影響較大 5）探測結(jié)果不能直接記錄存檔

6）對于形狀復雜、表面粗糙、內(nèi)部存在粗晶組織與奧氏體焊縫，探傷困難

2.超聲波檢測的應(yīng)用 2.1陶瓷的無損檢測 2.1.1陶瓷氣孔率的檢測

陶瓷的強度、彈性模量、密度等直接和氣孔率有關(guān), 有些構(gòu)件的氣孔率決定了它能否使用。陶瓷中超聲波的傳遞速度v和氣孔率（或密度）之間也存在某種關(guān)系, 可以通過實測得到v, 再利用式（1）、式（2）求出陶瓷的氣孔率: v?v0(1?p?)???????????（1）v0?E0(1?v)????????（2）

?0(1?v)(1?2v)式中:

v0——陶瓷的氣孔率為零時的理論聲速;p?——陶瓷的氣孔率;E0——陶瓷的彈性模量;?0 ——陶瓷的密度。

將氣孔簡化為隨機取向的橢球, 均勻分布在各向同性的基體中, 用復合微觀力學模型計算聲速并和實測值進行比較, 由式（1）計算得到氣孔率。

當陶瓷材料的理論密度已知時, 氣孔率可由體密度計算而來。體密度的測量方法很多, 常用的有阿基米德法。陶瓷的內(nèi)部缺陷也可以采用水浸探傷法來檢測, 以水浸縱波垂直探傷法檢測缺陷時, 波束路程可以直接讀出。要檢出微小缺陷時, 可以改用較低頻率的探頭。2.1.2陶瓷表面缺陷檢測

對于陶瓷而言, 同一形狀和尺寸的表面缺陷比內(nèi)部缺陷更容易引起破壞, 因此表面缺陷的檢測特別重要。通常用水浸表面波法檢測陶瓷的表面缺陷, 其原理見圖1。將超聲波(縱波)傾斜入射到浸入水中的被檢物表面, 當入射角?c大于第二臨界角?n時, 折射聲波全部沿著工件表面?zhèn)鞑? 形成表面波, 表示為: ?c?arcsin(Cl1/Cr2)??n???????（3）式中:

Cl1——水中的縱波聲速;Cr2——工件水浸表面波聲速。

圖1 水浸表面波法原理

表面波波長比橫波波長短, 衰減也大于橫波。同時, 它僅沿表面?zhèn)鞑? 遇到尖銳轉(zhuǎn)角或棱角時將有強烈反射回波, 曲率越大反射越強。水浸表面波在試塊表面?zhèn)鞑r, 能量可泄漏到水中, 故僅僅傳播數(shù)毫米后, 水浸表面波的反射波高度就顯著降低。鑒于反射波傳遞距離較小的振幅特性, 應(yīng)盡可能使探頭靠近缺陷處。

2.2鉆孔灌注樁的無損檢測 2.2.1檢測原理

采用超聲脈沖檢測混凝土缺陷的基本依據(jù)是，利用脈沖波在技術(shù)條件相同（指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）的混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學參數(shù)的相對變化來判定混凝土的缺陷。

超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與混凝土的密實度有直接關(guān)系，對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝土密實，相反則混凝土不密實。當有空洞或裂縫存在時，便破壞了混凝土的整體性，超聲脈沖波只能繞過空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測得的聲時必然偏長或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠小于混凝土的聲阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發(fā)生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經(jīng)過缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發(fā)生畸變。

根據(jù)上述原理，可以利用混凝土聲學參數(shù)測量值和相對變化綜合分析，判別其缺陷的位置和范圍，或估算缺陷的尺寸。2.2.2適用范圍

基樁超聲波檢測法是一種檢測混凝土灌注樁完整性的有效手段，它是利用聲波的透射原理對樁身混凝土介質(zhì)狀況進行檢測，因此僅適用于在灌注成型過程中已經(jīng)埋了兩根或兩根以上聲測管的基樁。

在樁身預埋一定數(shù)量的聲測管，通過水的耦合，超聲波從一根聲測管中發(fā)射，在另一根聲測管中接收，可以測出被測混凝土介質(zhì)的聲學參數(shù)。由于超聲波在混凝土中遇到缺陷時會產(chǎn)生繞射、反射和折射，因而到達接收換能器的聲時、波幅及主頻發(fā)生改變。超聲波法就是利用這些聲波特征參數(shù)來判別樁身的完整性。

對跨孔透射法，當樁徑較小時，聲測管間距也較小，其測試誤差相對較大，同時預埋聲測管可能引起附加的灌注樁施工質(zhì)量問題。因此，超聲波檢測方法適用于檢測直徑不小于 800mm 的混凝土灌注樁的完整性。

3.超聲波檢測的發(fā)展前景

無損檢測與評價技術(shù)在我國日常產(chǎn)品質(zhì)量檢驗和大量在用工業(yè)和民用設(shè)備的檢驗中發(fā)揮了十分重要的作用。從統(tǒng)計結(jié)果看，我國擁有近17萬無損檢測人員和2000多家無損檢測機構(gòu)，2007年無損檢測儀器的銷售額達10億元人民幣左右，大專院校每年培養(yǎng)近千名無損檢測專業(yè)的大專、本科和研究生。我國不僅對常規(guī)無損檢測設(shè)備、器材和服務(wù)有著巨大的需求，而且對先進的無損檢測儀器、技術(shù)和服務(wù)也有大量的需求。我國已成為一個無損檢測儀器、技術(shù)和服務(wù)的巨大市場。我國的無損檢測工作者已經(jīng)在許多技術(shù)和領(lǐng)域進行了大量的研究、開發(fā)和成功的應(yīng)用。

第四篇：超聲波探傷在鐵軌中的應(yīng)用小論文

一、超聲波傳感器在鐵路鋼軌探傷中的應(yīng)用

二、設(shè)計的目的：

1）掌握超聲波傳感器的原理及應(yīng)用。2）掌握鐵路鋼軌探傷高速檢測的方法。

3）通過畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)學生綜合運用所學專業(yè)的基礎(chǔ)理論、知識、技能分析解決實際問題的能力。

三、設(shè)計技術(shù)要求：

１）在線探測速度：大于80km/h。

2）鋼軌頭部橫向疲勞裂紋（核傷）報警：小于ф5mm平底孔當量； 鋼軌頭部縱向疲勞裂紋報警：小于10mm當量；鋼軌腰部斜裂紋長度報警：小于10mm當量。3）探輪自動對中精度：小于20%。4）使用溫度：-40-+70°C。

四、畢業(yè)設(shè)計完成的具體內(nèi)容 1）實習、搜集資料；

2）選擇設(shè)計方案，設(shè)計實體電路； 3）繪出電信號處理電路； 4）繪制電氣原理圖；

5）對所用元器件進行計算選擇，列寫元器件材料表； 6）主要參考資料。

五、主要參考文獻 《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》

無損檢測(No ndest ruct ive test，NDT)是指不破壞和損傷受檢物體，對其性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進行檢測的一種技術(shù)。無損檢測技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進技術(shù)進步不可缺少的手段，特別隨著新材料、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種結(jié)構(gòu)零件向高參量、大容量方向發(fā)展，不僅要提高缺陷檢測的準確率和可靠性，而且要把傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)無損檢測的數(shù)字化、圖像化、實時化、智能化。

工業(yè)上常用的無損檢測方法有五種：超聲檢測(UT)、射線探傷(RT)、滲透探查(PT)、磁粉檢測(MT)和渦流檢測(ET)。其中超聲檢測是利用超聲波的透射和反射進行檢測的。超聲波可以穿透無線電波、光波無法穿過的物體，同時又能在兩種特性阻抗不同的物質(zhì)交界面上反射，當物體內(nèi)部存在不均勻性時，會使超聲波衰減改變，從而可區(qū)分物體內(nèi)部的缺陷。因此，在超聲檢測中，發(fā)射器發(fā)射超聲波的目的是超聲波在物體遇到缺陷時，一部分聲波會產(chǎn)生反射，發(fā)射和接收器可對反射波進行分析，精確地測出缺陷來，并顯示出內(nèi)部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。

超聲檢測作為一種重要的無損檢測技術(shù)不僅具有穿透能力強、設(shè)備簡單、使用條件和安全性好、檢測范圍廣等根本性的優(yōu)點外，而且其輸出信號是以波形的方式體現(xiàn)。使得當前飛速發(fā)展的計算機信號處理、模式識別和人工智能等高新技術(shù)能被方便地應(yīng)用于檢測過程，從而提高檢測的精確度和可靠性。

超聲波無損探傷(NDI)是超聲無損檢測的一種發(fā)展與應(yīng)用，其設(shè)備有：超聲探傷儀、探頭、藕合劑及標準試塊等。其用途是檢測鑄件縮孔、氣泡、焊接裂紋、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度測定。

超聲無損檢測在最近幾十年中得到了較大的進展,它已成為材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測中常用的手段。由于超聲檢測可以在線進行、超聲波對人體無害又不改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，因此，在材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

超聲探傷原理

超聲探傷是無損檢測的主要方法之一。它能非破壞性地探測材料性質(zhì)及內(nèi)部和表面缺陷(如裂紋、氣泡、夾渣等)的大小、形成和分布情況，具有靈敏度高、穿透力強、檢測速度快和設(shè)備簡單、成本低等一系列特點。

1.1 基本原理

超聲波探傷具有反射和透射兩種方法。其中反射方法精確度較高。圖1 是脈沖回波探傷儀原理圖。脈沖發(fā)射器通過探頭將超聲波短脈沖送入試件，當回波從試件的缺陷或邊界返回時，通過信號處理系統(tǒng)，在示波器上加以顯示，并將其幅度和傳播時間顯示出來。如果已知試件中的聲速，則根據(jù)示波器上的讀數(shù)所獲得的脈沖間的傳輸時間即可獲得缺陷的深度。

圖1 脈沖回波探傷儀原理圖。

1.2 探傷分類

超聲探傷方法很多，可以按不同的方式進行分類。

現(xiàn)將幾種常用的分類方法介紹如下。

(1)按原理分類

按探傷原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢測試塊內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等。

(2)按耦合方式分類

按耦合方式分類如圖2 所示。

圖2 按耦合方式探傷分類圖。

(3)按探傷顯示方法分類

按探傷顯示方法分類可分為A 型顯示，B 型顯示與C 型顯示。其中A 型顯示只顯示缺陷的深度： B 型顯示探傷儀，可顯示工件內(nèi)部缺陷的橫斷面形狀，此時示波器橫坐標代表探頭在工件面上的位置，縱坐標代表缺陷的深度。探頭沿工件移動與示波管掃描線的水平移動是同步的，為使圖象保留在熒光屏上，應(yīng)選用長余輝示波管，且探頭移動速度不能太快： C 型顯示探傷儀,可以顯示工件內(nèi)部缺陷的平面圖形。

(4)按智能方式分類

上述探傷方法如由人工操作，則為人工探傷。如使試樣或探頭移動，在它的移動中利用超聲波自動地檢測缺陷并予以顯示或指示(噴色)的方式，稱為超聲自動探傷。自動探傷要有探傷儀(帶閘門裝置)，顯示裝置，探頭及其夾持機構(gòu)。根據(jù)探頭設(shè)置方式的不同還可大致分為如下幾種探傷方式：直接接觸方式，此方式只用在探傷速度不高且表面光滑的場合，如軌道、無縫鋼管和軸等： 局部水浸方式是超聲探傷中最適用的方式，還可細分為其他方式，但原理是同樣的： 全水浸方式用于工件的某部分(如粘結(jié)層)或管類的精密探傷，當水槽機構(gòu)設(shè)計成可以進行自動探傷的情況下，除去工件的裝卸以外，探傷可以全部自動化，如果工件加工精度高，而且水槽內(nèi)架設(shè)的探頭夾持機構(gòu)、移動架的精度也高，則探傷的精度也高。

超聲探傷技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用

2.1 機車檢測方面的應(yīng)用

2.1.1 在高速鋼軌檢測中的應(yīng)用

我國鐵路運營線路近七萬公里，而且鐵路正在向高速、重載的方向發(fā)展。超期服役的鋼軌數(shù)量很大，線路上的鋼軌在承擔繁重的運輸任務(wù)過程中，不免要產(chǎn)生各種肉眼能看見及看不見的損傷如側(cè)磨、軌頭壓潰、剝離掉塊、銹蝕、核傷、水平裂紋、垂直裂紋、周邊裂紋等。

如圖3 所示，當被檢鋼軌內(nèi)部有一個裂紋缺陷(或其他缺陷)，將超聲波探頭放在被檢鋼軌的某一表面部位(該面稱作探傷面、檢測面)，探頭向被檢鋼軌發(fā)射超聲波信號，超聲波穿過界面進入被檢鋼軌內(nèi)部，在遇到缺陷和兩介質(zhì)的界面時都會有反射，反射信號被探頭接收后，通過探傷儀內(nèi)部的電路轉(zhuǎn)換，就可以把缺陷信號和底波信號形象地顯示出來，如圖4 所示。根據(jù)超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號和底波信號區(qū)分開，然后通過超聲波試塊進行定標，就可以實現(xiàn)對鋼軌缺陷的定位和定量。

圖3 超聲探傷示意圖。

圖7 輪輞人工模擬缺陷探傷。

2.3 焊接方面的應(yīng)用

采用超聲相控陣技術(shù)及B 掃描實時成像技術(shù)，通過足夠數(shù)量的探頭排列和觸發(fā)時間控制，并選用不同頻率范圍，可以實現(xiàn)嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測。

通過對比超聲圖像與接頭實剖圖，發(fā)現(xiàn)該方法能可靠地檢出物體中的缺陷，并能較精確地確定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道安裝工程中的檢測進一步驗證了該技術(shù)的可靠性。

檢測示意圖如圖10 所示。超聲相控陣檢測結(jié)合B掃描技術(shù)可以判斷檢測截面上電阻絲的位置，從而可以判斷由于管材和套筒配合過緊造成的電阻絲垂直方向的錯位情況，從實剖圖上得到驗證如圖11 所示，比較超聲成像圖和實剖圖可以看出，相控陣超聲方法對金屬絲有較好的分辨效果，連很微小的位移也能分辨出來，定位精度達0.5 mm。

圖10 焊接檢測示意圖。

圖11 電阻絲錯位圖。

超聲相控陣技術(shù)及B 掃描實時成像方法對聚乙烯管電熔接頭各類缺陷有較好的檢出能力。對大量含缺陷電熔接頭進行檢測和試驗研究，對比超聲成像圖和實剖圖，發(fā)現(xiàn)該方法對于聚乙烯電熔接頭的各類缺陷均有較高的檢測靈敏度和檢出精度。通過城鎮(zhèn)聚乙烯燃氣管道安裝工程檢測實踐，驗證該技術(shù)能實現(xiàn)嵌入式電阻絲電熔連接接頭的檢測。

結(jié) 語

現(xiàn)代意義的無損檢測技術(shù)是隨著各種科學技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。超聲檢測作為無損檢測的一種重要方法和熱點研究，主要集中在研制適應(yīng)性強、靈敏度高的探頭： 為判斷缺陷性質(zhì)而對各種缺陷數(shù)學模型的建立： 缺陷的檢出和信號分析技術(shù)： 無損*價的量化研究以及拓展超聲檢測在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。它的優(yōu)點是對平面型缺陷十分敏感，一經(jīng)探傷便知結(jié)果，易于攜帶，多數(shù)超聲探傷儀不必外接電源，穿透力強。局限性是藕合傳感器要求被檢表面光滑，難于探出細小裂縫，要有參考標準，為解釋信號要求檢驗人員素質(zhì)高。

超聲檢測技術(shù)未來將會向著以下幾個方面發(fā)展:

(1)向高精度、高分辨率方向發(fā)展。

(2)高溫條件下的測量明顯增多，在線檢測、動態(tài)檢測增多。

(3)在若干領(lǐng)域向超聲無損*價發(fā)展，使得超聲檢測內(nèi)容有了新的內(nèi)涵。如超聲檢測技術(shù)與斷裂力學相結(jié)合，對重要構(gòu)件進行剩余壽命*價： 超聲檢測技術(shù)與材料科學相結(jié)合，對材料進行物理*價。

(4)在無損檢測方面向定量化、圖像化方向發(fā)展,超聲檢測系統(tǒng)將進一步數(shù)字化、圖像化、自動化、智能化。

(5)現(xiàn)代信息處理技術(shù)如數(shù)值分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、遺傳算法、虛擬儀器技術(shù)將廣泛應(yīng)用于超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域。

隨著各種科學技術(shù)在超聲檢測及探傷中的不斷深入應(yīng)用，相信超聲檢測作為許多領(lǐng)域產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段之一必將得到更多的關(guān)注與提高。

第五篇：傳感器原理及應(yīng)用結(jié)課論文

《傳感器原理及應(yīng)用》

結(jié)課論文

學院: 專業(yè): 姓名: 學號: 指導教師:

1.傳感器的地位和作用

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。它是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

在生活中人的五官分別產(chǎn)生視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺，但是在研究自然界的現(xiàn)象和規(guī)律及生產(chǎn)活動中，人的五官運動不夠，這就需要傳感器來檢測人們的器官所不能感知的現(xiàn)象。人們把與人的“五官”相似的部分稱為“電五官”。

現(xiàn)代科學技術(shù)使人類社會進入了信息時代，來自自然界的物質(zhì)信息都需要通過傳感器進行采集才能獲取。如圖1-1所示，人們把電子計算機比作人的大腦，把傳感器比作人的五種感覺器官，執(zhí)行器比作人的四肢。盡管傳感器與人的感覺器官相比還有許多不完善的地方，但傳感器在諸如高溫、高濕、深井、高空等環(huán)境及高精度、高可靠性、遠距離、超細微等方面所表現(xiàn)出來的能力是人的感官所不能代替的。傳感器的作用包括信息的收集、信息數(shù)據(jù)的交換及控制信息的采集三大內(nèi)容

1.1傳感器的應(yīng)用有以下幾個方面

1)傳感器在工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在石油、化工、電力、鋼鐵、機械等工業(yè)生產(chǎn)中需要及時檢測各種工藝參數(shù)的信息，通過電子計算機或控制器對生產(chǎn)過程進行自動化控制，如下圖所示，傳感器是任何一個自動控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。

2)傳感器在汽車中的應(yīng)用

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目前，傳感器在汽車上不只限于測量行駛速度、行駛距離、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度以及燃料剩余量等有關(guān)參數(shù)，而且在一些新設(shè)施中，如汽車安全氣囊、防滑控制等系統(tǒng)，防盜、防抱死、排氣循環(huán)、電子變速控制、電子燃料噴射等裝置以及汽車“黑匣子”等都安裝了相應(yīng)的傳感器。美國為實現(xiàn)汽車自動化，曾在一輛汽車上安裝了90多只傳感器去檢測不同的信息。

3)傳感器在家用電器中的應(yīng)用

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現(xiàn)代家庭中，用電廚具、空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電子熱水器、安全報警器、吸塵器、電熨斗、照相機、音像設(shè)備等都用到了傳感器。

4)傳感器在機器人中的應(yīng)用

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在生產(chǎn)用的單能機器人中，傳感器用來檢測臂的位置和角度； 在智能機器人中，傳感器用作視覺和觸覺感知器。在日本，機器人成本的二分之一是耗費在高性能傳感器上的。

5)傳感器在醫(yī)學中的應(yīng)用

在醫(yī)療上，應(yīng)用傳感器可以準確測量人體溫度、血壓、心腦電波，并幫助醫(yī)生對腫瘤等進行診斷

6)傳感器在環(huán)境保護中的應(yīng)用

為了保護環(huán)境,研制用以監(jiān)測大氣、水質(zhì)及噪聲污染的傳感器,已被世界各國所重視。

7)傳感器在航空航天中的應(yīng)用

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飛機、火箭等飛行器上，要使用傳感器對飛行速度、加速度、飛行距離及飛行方向、飛行姿態(tài)進行檢測。

8)傳感器在遙感技術(shù)中的應(yīng)用

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在飛機及衛(wèi)星等飛行器上，利用紫外、紅外光電傳感器及微波傳感器來探測氣象、地質(zhì)等信息。在船舶上，利用超聲波傳感器進行水下探測。

9)傳感器在軍事方面的應(yīng)用

利用紅外探測可以發(fā)現(xiàn)地形、地物及敵方各種軍事目標。紅外雷達具有搜索、跟蹤、測距等功能，可以搜索幾十到上千千米的目標。紅外探測器在紅外制導、紅外通信、紅外夜視、紅外對抗等方面也有廣泛的應(yīng)用。

傳感器技術(shù)不僅對現(xiàn)代化科學技術(shù)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及工業(yè)自動化的發(fā)展起到基礎(chǔ)和支柱的作用，同時也被世界各國列為關(guān)鍵技術(shù)之一?？梢哉f“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代化的科學技術(shù)，沒有傳感器也就沒有人類現(xiàn)代化的生活環(huán)境和條件”，傳感器技術(shù)已成為科學技術(shù)和國民經(jīng)濟發(fā)展水平的標志之一。

2.壓力傳感器及其應(yīng)用

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器。通常把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件(或應(yīng)變計)組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器。一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號?；蛟谝欢芜B續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。而通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，半導體壓力傳感器也應(yīng)運而生。其特點是體積小、質(zhì)量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。壓力傳感器在安全控制系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用，主要針對的領(lǐng)域是空壓機自身的安全管理系統(tǒng)。在安全控制領(lǐng)域有很多傳感器應(yīng)用，壓力傳感器作為一種非常常見的傳感器，在安全控制系統(tǒng)中應(yīng)用也不足為奇。

在安全控制領(lǐng)域應(yīng)用一般從性能方面來考慮，從價格上的考慮，還有從實際操作的安全性方便性來考慮，實際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機械設(shè)備的加工技術(shù)將一些元件以及信號調(diào)節(jié)器等裝置安裝在一塊很小的芯片上面。所以體積小也是它的優(yōu)點之一，除此之外，價格便宜也是它的另一大優(yōu)點。在一定程度上它能夠提高系統(tǒng)測試的準確度。在安全控制系統(tǒng)中，通過在出氣口的管道設(shè)備中安裝壓力傳感器來在一定程度上控制壓縮機帶來的壓力，這算是一定的保護措施，也是非常有效的控制系統(tǒng)。當壓縮機正常啟動后，如果壓力值未達到上限，那么控制器就會打開進氣口通過調(diào)整來使得設(shè)備達到最大功率。

3.諧振式傳感器

諧振式傳感器是指利用諧振原理將被測量變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率變化的傳感器?；谥C振技術(shù)的諧振式傳感器，自身為周期信號輸出（準數(shù)字信號），只用簡單的數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換為微處理器容易接受的數(shù)字信號。諧振式傳感器的重復性、分辨率和穩(wěn)定性等非常優(yōu)良，又便于和微處理器直接結(jié)合組成數(shù)字控制系統(tǒng)，是當今人們研究的重點。

3.1諧振式傳感器的優(yōu)點與應(yīng)用

諧振式傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、精度高以及便于數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲等優(yōu)點。主要用于測量壓力，也用于測量轉(zhuǎn)矩、密度、加速度和溫度等。

3.2諧振式傳感器的特征優(yōu)勢

相對其它類型的傳感器，諧振式傳感器的本質(zhì)特征與獨特優(yōu)勢是：

① 輸出信號是周期的，被測量能夠通過檢測周期信號而解算出來。這一特征決定了諧振式傳感器便于與計算機連接，便于遠距離傳輸；

② 傳感器系統(tǒng)是一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，處于諧振狀態(tài)。這一特征決定了傳感器系統(tǒng)的輸出自動跟蹤輸入；

③ 諧振式傳感器的敏感元件即諧振子固有的諧振特性，決定其具有高的靈敏度和分辨率；

④ 相對與諧振子的振動能量，系統(tǒng)的功耗是極小量。這一特征決定了傳感器系統(tǒng)的抗干擾性強，穩(wěn)定性好

3.3諧振式傳感器的種類

按諧振元件的不同，諧振式傳感器可分為振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和壓電諧振式等。

（1）振弦式傳感器

以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小,通過相應(yīng)的測量電路,就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號。振弦的固有振動頻率f與拉力T的關(guān)系為，式中l(wèi)為振弦的長度，ρ為單位弦長的質(zhì)量。振弦的材料與質(zhì)量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。鎢絲的性能穩(wěn)定、硬度、熔點和抗拉強度都很高,是常用的振弦材料。此外,還可用提琴弦、高強度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機構(gòu)組成。振弦一端固定、一端連接在受力機構(gòu)上。利用不同的受力機構(gòu)可做成測壓力、扭矩或加速度等的各種振弦式傳感器。（2）振筒式傳感器

以振動的金屬薄圓筒為敏感元件的諧振式傳感器。振筒的固有振動頻率決定于筒的形狀、大小、材料的彈性模量、筒的應(yīng)力和周圍介質(zhì)的性質(zhì)。被測參量的變化使得筒的某一物理特性被改變，從而改變了筒的固有振動頻率，通過測量筒的振動頻率即可達到測量被測參量的目的。振筒式傳感器已經(jīng)發(fā)展到較高水平，主要用于測量氣體壓力和密度等（3）振梁式傳感器

以彈性梁為敏感元件的諧振式傳感器。振梁的固有振動頻率隨它兩端所受的力而變化，通過相應(yīng)的測量電路就可獲得與被測力成一定關(guān)系的頻率信號。振梁一般連接于彈性受力機構(gòu)上以感受被測壓力。振梁式傳感器用于測量靜態(tài)或緩變壓力。（4）振膜式傳感器

以圓形恒彈性合金膜片為敏感元件的諧振式傳感器。膜片的固有振動頻率隨膜片上所受壓力的變化而變化，通過相應(yīng)的測量電路就可獲得與被測壓力成一定關(guān)系的頻率信號。振膜式傳感器廣泛用于壓力測量，它由空腔、壓力膜片、振動膜片、激勵線圈、拾振線圈和放大振蕩電路組成。在空腔受壓力影響時,壓力膜片即發(fā)生變形,裝在壓力膜片支架上的振膜則因支架角度改變而發(fā)生剛度變化。膜片的振動頻率取決于振膜的剛度、壓力膜片和支架的剛度。在振膜的兩側(cè)分別放置激勵線圈和拾振線圈。工作時，激勵線圈接通交變電流而使膜片產(chǎn)生振動，拾振線圈則將所感應(yīng)的振動信號送往放大振蕩電路，該信號經(jīng)放大后又正反饋給激勵線圈，使振膜保持它固有頻率的振動。激勵線圈和拾振線圈還可以用兩個壓電元件代替，其結(jié)構(gòu)也可做成使振膜直接感受被測壓力。作為拾振器的壓電元件利用正壓電效應(yīng)將振動信號送往放大器，該信號經(jīng)放大后又正反饋到作為激振器的壓電元件，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動激勵以維持膜片的振動。為提高穩(wěn)定性，壓電元件的固有振蕩頻率應(yīng)遠離振膜的固有振蕩頻率，并設(shè)置高頻衰減網(wǎng)絡(luò)抑制高頻振蕩。

3.4諧振式傳感器設(shè)計要點

（1）諧振子的選擇及其振動特性（即振動模態(tài)，包括諧振頻率和振型）的分析、計算，確定諧振子的實際結(jié)構(gòu)、參數(shù)及所敏感的振動特征參數(shù)。這部分工作的核心是建立諧振式傳感器的模型，優(yōu)化出一個高Q值、高靈敏度的諧振子；

（2）檢測源、激勵源的選擇以及諧振子的配合問題。主要包括它們與諧振子的相對位置的選擇與激勵能量大小的確定；

（3）檢測信號的接收、處理、轉(zhuǎn)換及按幅相條件設(shè)計的。對于靈敏頻率的諧振式傳感器要在滿量程內(nèi)綜合考慮，而敏感幅值比、相位差的諧振式傳感器要合理設(shè)計出“雙閉環(huán)”系統(tǒng)，并選擇好參考位置。

（4）引入恰當?shù)难a償機制，解算檢測信號，給出被測量。