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0709现代检测技术资料
超声波传感器
超声波技术作为近代的新技术正逐步应用到检测技术中来,特别是在环境条件恶劣、或要求无接触测量的许多场合,超声检测更显示它的优越性。
超声波的物理基础
振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。
频率在16~2×104Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16Hz的机械波,称为次声波;高于2×104Hz的机械波,称为超声波。
如图
(1)所示。
当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时,声波的波型也有所不同。
质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波,如图(2a)所示。
它能在固体、液体和气体中传播。
为了测量在各种状态下的物理量,检测技术中多采用纵波。
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波,如图(2b)所示。
它只能在固体中传播。
质点振动介于纵波和横波之间,沿着表面传播,振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波,它只在固体表面传播。
超声波的传播速度与介质的密度和弹性系数有关。
且同种介质不同的波形,或同一波形不同介质,其传播速度都不同。
超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时,产生反射与折射现象,如图(3)所示。
图中具有下列关系
C2
=
sinβ
SinαC1
(1)
式中,C1、C2分别为超声波在两种介质中的速度;
α为入射角;β为折射角。
设α0为临界入射角,当α=α0时,β=90°,则
当α>α0时,则只产生反射波。
超声波由液体进入固体的临界入射角α0≈15°。
当入射角α>15°时,只产生反射。
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,通过介质后的强度为I,如图(4)所示。
则有
I=I0e-Ad
(2)
式中,d为介质的厚度;A为介质对超声波
能量的吸收系数。
对于固体介质,超声波能量的吸收系数为
A=(3)
式中,Q为介质的质量因数。
介质的吸收程度与频率和介质密度有很大关系。
气体ρ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。
超声波的发生
超声波是由超声波发生器产生的。
超声波发生器主要是电声型,它将电磁能转换成机械能。
其结构分为两部分,一部分为产生高频电流或电压的电源;另一部分为换能器,它的作用是将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。
1.压电式超声波发生器
压电片
压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。
常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。
在压电元件上施加交变电压,使它产生电致伸缩振动,而产生超声波。
如图(9-5)所示。
压电材料的固有频率与晶片厚度d有关,即
d~u
f=n(4)
图(5)压电式超声波发生器
式中,n=1,2,3,…是谐波的级数;
C为波在压电材料中的传播速度(纵波)。
C=√E/ρ(5)
式中,E为杨氏模量;ρ为压电材料的密度。
对于石英晶体
E=7.70×1010N/m2;ρ=2654kg/m3
根据共振原理,当外加交变电压的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
十W/cm2。
2.磁致伸缩超声波发生器
铁磁性物质在交变的磁场中,在顺着磁场方向产生伸缩的现象,叫做磁致伸缩效应。
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,再加以交流电时,它可工作在特性最好的区域。
磁致伸缩超声波发生器是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的镍片叠制而成。
片间绝缘以减少涡流损耗。
其结构有矩形、窗形等,如图(6)所示。
磁致伸缩超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压电式相同,即
f=n/2d·√E/ρ
如果振动是自由的,n=1,2,3,…,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的频率范围内,但功率可达十万W,声强可达几千W/cm2,能耐较高的温度。
超声波的接收
在超声波技术中,除需要能产生一定的频率及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。
当超声波作用于压电晶片时,晶片产生正压电效应而产生交变电荷,经电压放大器或电荷放大器放大,最后记录或显示出结果。
其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。
当超声波作用于磁致伸缩材料上时,使材料伸缩,引起它的内部磁场(即导磁特性)的变化。
根据电磁感应原理,磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动势,将此电动势送至测量电路及记录显示可得测量结果。
它的结构也与发生器差不多。
超声波传感器的应用
超声波已广泛地应用于工业各技术领域的非接触测量。
超声波测液位
超声波测液位是利用回声原理进行工作的,如图(9-10)所示。
当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲,经过时间t后,探头接收到从液面反射回来的回波脉冲。
因此探头到液面的距离可由下式求出
L=ct(9-6)
式中,c为超声波在被测介质中的传播速度;t为超声波发生器发出超声波到接收到超声波的时间。
由次可见,只要知道超声波的传播速度,通过精确测量时间t的方法,就可`测量距离L。
;
图(10)超声波测液位示意图
超声波的速度c在各种不同的液体中是不同的。
即使在同一种液体中,由于温度、压力的不同,其值也是不同的。
因为液体中其他成分的存在及温度的影响都会使超声波速度发生变化,引起测量的误差,故在精密测量时,要采取补偿措施。
利用这种方法也可测量料位
小结
1.声波是一种机械波。
声的发生是由于发声体的机械振动,引起周围弹性介质中质点的振动,这种振动由近及远的传播就是声波。
频率高于20000Hz的声波为超声波;低于20Hz的声波为次声波。
当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时,声波的波型也有所不同。
质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波,它能在固体、液体和气体中传播。
为了测量在各种状态下的物理量,检测技术中多采用纵波。
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波,它只能在固体中传播。
质点振动介于纵波和横波之间,沿着表面传播,振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波,它只在固体表面传播。
2.超声波是由超声波发生器产生的。
超声波发生器有压电式超声波发生器与磁致伸缩超声波发生器,是利用压电效应与磁致伸缩效应进行工作的。
而超声波接收器是利用逆压电效应与磁致伸缩的逆效应进行工作的。
故实际中超声波发生器和超声波接收器可以是同一器件。
3.利用超声波技术我们可以进行无损探伤以及工件的厚度、液位、距离的测量。
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