超声探头
句光宇1、超声波传感器工作的原理
1)压电效应
某些晶体材料受到外力作用时，不仅发生变形，而且
部被极化表面产生电荷；当外力去掉后，又回到原来状态，
这种现象称为压电效应。
在自然界多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微
弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆
钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
●正压电效应：
?一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，部产生极化现象，同时在
某两个表面上产生符号相反的电荷；
?而当外力去掉后，又恢复不带电的状态；
?当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；
?晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械能转换为电能的现象称
为正压电效应。
●逆压电效应：
?如果给晶体施加以交变电场，晶体本身则产生机械变形，这种现象称为逆压电效应，
又称电致伸缩效应。
?压电效应具有可逆性。
2)石英与压电瓷的压电效应机理
压电式超声波传感器（超声波探头）是利用压电元件的逆压电效应，将高频交变电场转换成高频机械振动而产生超声波（发射探头）；再利用正压电效应将超声振动波转换成电信号（接收探头)。发射探头和接收探头结构基本相同，有时可用一个探头完成两种任务。
●石英晶体的压电效应
X 轴：电轴或1轴； Y 轴：机械轴或2轴； Z 轴：光轴或3轴。
◆ “纵向压电效应”：沿电轴（X 轴）方向的力作用下产生电荷
◆ “横向压电效应”：沿机械轴（Y 轴）方向的力作用下产生电荷
◆ 在光轴（Z 轴）方向时则不产生压电效应。
? 当沿x 轴方向加作用力Fx 时，则在与x 轴垂直的
平面上产生电荷
x x F d Q
?=11 d 11——压电系数（C/N ） ? 作用力是沿着y 轴方向电荷仍在与x 轴垂直的平面 y y x F b
a d F
b a d Q 1112-== （1112d d -=） ? 切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a ）是在X 轴方向受压力，图（b ）是在X 轴方向受拉力，
图（c ）是在Y 轴方向受压力，图（d ）是在Y 轴方向受拉力。 ? 切片上电荷的符号与受力方向的关系：
◆ 正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。
◆ 在X 轴方向压缩，表面A 上呈现负电荷、B 表面呈现正电荷。
◆ 沿Y 轴方向压缩，在A 和B 表面上分别呈现正电荷和负电荷 。
●压电瓷的压电效应
?人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
?压电瓷的压电效应
压电瓷片束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
◆自由电荷与瓷片的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消瓷片极化
强度对外的作用，因此瓷片对外不表现极性。
◆压电瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，瓷片将产生压缩变形，原来吸附
在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，瓷片恢
复原状，片的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸
附部分自由电荷而出现充电现象。
◆放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
F
d
Q?
=
33
Q ——电荷量；d33 ——压电瓷的压电系数；
F ——作用力。
2、决定换能器性能的关键——压电材料
1)压电材料的主要性能参数
?压电应变常数d33:表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小。
)
/
(
33
V
m
U
t
d
?
=
◆衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵
敏度高。
?压电电压常数g33：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小。
)
/
(
33
N
m
V
P
U
g P?
=
◆ 衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵
敏度高。
? 介电常数ε
A
t C =ε ◆ 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε愈大，电容C 也就愈大，即电容
器所贮电虽就愈多。压电晶体的ε应根据不同用途来选取。超声波探伤用的压
电晶体，频率要求高，ε应小一些。因为ε小，C 小，电容器充放电时间短,频率
高。扬声器频率低，ε应大一些。
? 机电耦合系数K ；表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。
输入的能量
转换的能量=K ? 机械品质因子θm
损
贮E E m =θ ◆ 压电晶片在谐振时贮存的机械能E 贮与在一个周期损耗的能量E 损之比称为机
械品质因子θm 。压电晶片振动损耗的能量主要是由摩擦引起的。θm 值对分
辨力有较大的影响,θm 值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之，θm 值小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力就高。
? 频率常数Nt
常数）(2
0L t c tf N == ◆ 说明压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数，
用Nt 表示。晶片厚度一定，频率常数大的晶片材料的固有频率高，厚度愈小。 ? 居里温度Tc ；使压电材料的压电效应消失的温度。
? 要求具有与检测介质接近的声阻抗
2）常用压电晶片材料及其特点（性能指标）
● 第一类压电材料——压电单晶体；
? 压电单晶是天然形成或人工制成的、具有各向异性的单晶铁电体材料，它具有压电
效应是基于组成晶体结构的点阵上正负离子相对位置变化引起的。石英是一种常见的压电单晶，其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温围几乎不随温度变化。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。
? 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹
性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。
● 第二类压电材料——压电多晶体（压电瓷）；
?压电瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能瓷材料，属于无机非金属材料。
这是一种具有压电效应的材料。
?压电瓷具有很高的压电系数，因此在压电式传感器中应用十分广泛。
?钛酸钡压电瓷BaTiO3：钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按1：1克分子比例混合后充
分研磨成形，经高温1300～1400oC烧结，然后经人工极化处理得到的压电瓷。这
种压电瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足
是居里温度低（120o C），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
?锆钛酸铅压电瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3 和PbZrO3 组成的固溶体Pb（Zr、
Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300oC以上，各项机电参
数受温度影响小，时间稳定性好。
●第三类压电材料——极性高分子压电材料；
?高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶
格中均匀的应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀应变所产生的
各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。
?目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，
其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，
经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列
在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联
合作用后，晶体部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶极矩
固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起
了压电效应。
●第四类压电材料——复合压电材料
?压电复合材料是将压电瓷相和聚合物相按一定连通方式，一定的体积/重量，及一
定的空间分布制作而成，它可以成倍地提高材料的压电性能。
?复合材料使加工性能，以及与水的匹配性也大为改善。
?为了从本质上极提高材料的压电性能，将二元复合材料进一步复合向三元或更多元
方向发展，可望获得更为优异的压电复合材料。
3、超声波探头的种类和结构
●直探头(纵波探头)
?主要探测缺陷：探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。
?组成部分及各部分作用：
◆压电晶片作用是发射和接收超声波，实现电声换能。
◆保护膜是保护压电晶片不致磨损。分为硬、软保护膜两类。前者用于表面光洁
度较高的工件。后者用于表面光洁度较低的工件探伤。当保护膜的厚度为λ2/4
的奇数倍，且保护膜的声阻抗Z2为晶片声阻抗Z1和工件声阻抗Z3的几何平
均值时，超声波全透射。
◆吸收块（阻尼块）紧贴压电晶片，对压电晶片的振动起阻尼作用。另外还可以
吸收晶片背面的杂波，提高信噪比。并且支承晶片。
◆外壳的作用在于将各部分组合在一起，并保护之。
● 斜探头（介绍横波斜探头）
? 主要探测缺陷：与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤
等。
? 组成部分及其作用（横波斜探头实际上是直探头加透声斜楔组成）：透声斜楔的作
用是实现波型转换，使被探工中只存在折射横波。
? 标称方式：K=tg β
)1sin(2
2
21K K C C L L L +=α ● 表面波探头
? 主要探测缺陷：表面或近表面缺陷
? 2
11sin L L L C C -=α ● 双晶探头(分割探头)
? 分类：根据入射角αL 不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。
? 优点：
◆ 灵敏度高
◆ 杂波少富区小
◆ 工件中近场区长度小
◆ 探测围可调
? 主要探测缺陷：近表面缺陷
● 聚焦探头
? 分类：点聚焦和线聚焦；水浸聚焦与接触聚焦
? 以水漫聚焦探头为例说明聚焦探头的结构原理聚焦探头由直探头和声透镜组成。声
透镜的作用就是实现波束聚焦。焦距F 与声透镜的曲率半径r 之间关系为 ：
1
211-=-=n nr c c r c F ● 可变角探头
? 入射角是可变的。转动压电晶片使入射角连续变化,一般围为0°-70°，可实现纵、
横、表面和板波探伤。
● 高温探头
? 高温探头中的压电晶片需选用居里温度较高的铌酸锂(1200℃)、石英(550℃)、钛酸
铅(460℃)来制作，外壳与阻尼块为不锈钢，电缆为无机物绝缘体高温同轴电缆，前面壳体与晶片之间采用特殊钎焊使之形成高温耦合层。这种探头可在400-700℃高温下进行探伤。
4、超声传感器在工业中的应用
?超声波传感器在测量液位的应用：超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出
的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
?超声波传感器在测距系统中的应用：超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平
均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,故被测距离为S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。