超声检测-第四讲

超声波测厚仪
一、共振式测厚仪 1、原理：
当工件厚度为半波长的整数倍时，反射波与入射波互相迭加，形成 驻波，产生共振。
这时工件厚度与波速、频率的关系为：
2、方法： 测厚时，调节原理图中的调谐电容C ，改变振荡频率。由频率振荡 器输出的交变电信号加到超声波探头上，产生超声波在工件中传播。 当超声波在工件中产生共振时。探头负载阻抗减小，通过电流表A 的板极电流达极大值，这时的频率为共振频率。再次调节电容C。 改变频率，测出相邻的另一共振频率，进而利用上式求出工件厚度。
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能 使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接 一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用: – 把压电式传感器的微弱信号放大； – 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
（1）电压放大器
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地 方。
压电式传感器的信号调节电路
3、反馈电容Cf小，输出就大， 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。
5、输出电压与电缆电容无关条件：
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
压电式加速度传感器
压 缩 式 压 电 加 速 度 传 感 器 结 构
测量原理
当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座 相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作 用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用 在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产 生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时， 传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与 试件的加速度成正比。
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
• 1. 压电元件的等效电路 • 2. 压电式传感器的信号调节电路
压电元件的等效电路
Ca
s t
r0s
t
Q U
Ca
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
两个压电片的联结方式
石英晶体切片及封装
双面镀银并封装
纵向压电效应
• 当沿电轴方向加压力Fx时，则在与x轴垂直的平面上产 生电荷：
Qx d11 • Fx / lb
d11——压电系数（C/N） 可见Ｑx与Fx成正比。 如果变为拉力时，则在垂 直于x轴的平面上仍出现等 量电荷，但极性相反
横向压电效应
作用力是沿着y轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面
电压放大器应用限制
• 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格 便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响 较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应 用。
解决电缆问题的办法
将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。
压 电 式 加 速 度 传 感 器
（2）电荷放大器
压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输 出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起 着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010~1012Ω，输出 阻抗小于100Ω。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传 感器的灵敏度与电缆长度无关。
下限为1mm的仪器要有一块1mm厚的试块。调整时将 探头对准该试块底面。使仪器显示厚度为lmm即可。 2）线性要用厚度不同的试块来校正。调整时将探头分别 对准厚度不同的试块底面，使仪器显示相应试块厚度。
2.测厚方法
先据工件厚度情况和精度要求选择探头：工件较 薄时宜选双晶或带延迟块探头，工件较厚时宜选单晶 探头。
超声波测厚仪
优点：共振式测厚仪可测厚度下限小，最小可达 0.1mm；测试精度较高，可达0.1%。
缺点：使用不大方便,不能直读，须用公式计算工 件厚度。另外要求被测工件上下表面平整光洁。
二、脉冲反射式测厚仪 1、原理：
脉冲反射式测厚仪是通过测量超声波在工件上下底面之间往返一次 传播的时间来求得工件的厚度，其计算公式如下：
粘贴 位置
2.交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
模块二 探头
压电材料的主要性能参数
• （1）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。 • d33值大，发射性能好。 • （2）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。 • g33值大，接收性能好。 • （3）介电常数（ε） • 反映介质的介电性能，介电常数愈大，电容也就愈大，即电容所储电
变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或 PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。 它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套 管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制， 制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较 宽，测量动态范围可达80dB。
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。 • （6）频率常数Nt
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,晶片厚度越小。 • （7）居里温度Tc
i
dQ dt
d11
Fm
cost
I j d11 F
。Байду номын сангаас
Ui
d11
F
1
jR jRC
输入电压的幅值 uim
d11FmR
d11Fm
1 (R)2 (Ca Cc Ci )2 Ca Cc Ci
当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大 器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如 在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的 振动速度或位移。
压电式测力传感器
压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。 • 变形方式：利用纵向压电效应最简便。 • 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提
测厚与探伤一样，要求工件表面光洁平整。测试时 要施加一定的耦合剂。测厚时，探头放置要平稳、压 力适当。
模块二 探头
导入：探头是能实现电能和超声波能相互转换 的传感器。本模块主要介绍探头的种类及其性能 指标等。
重点：直探头和斜探头的结构、探头的性能指 标。
难点：探头性能指标。
模块二 探头
• 1、压电效应与压电材料 • 2、探头的结构及各部分的作用 • 3、探头的主要种类 • 4、探头的型号标识方法 • 5、探头的电缆线
传感器的低频响应范围
• 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间 常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传 感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。
• 但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为 传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是 提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都 很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入 电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越 大，传感器的低频响应也就越好。
模块二 探头
1、压电效应与压电材料
正压电效应
某些电解质物质，当沿一 定方向对其施力而使它变形时， 内部就会产生极化现象，同时在 它的两个表面上会产生符号相反 的电荷；当将外力去掉时，又重 新回到不带电的状态，这种现象 就称为压电效应。 当作用力方 向改变时，电荷的极性也随着改 变。
模块二 探头
• 逆压电效应 在压电材料的极化方向上，如果加以交流电压，那么压电材料
压电传感器与电荷放大器连接等效电路
K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相。
充电电压接近等于放大器的输出电压:
Uo
Ca
Cc
kQ Ci
(1
k)C f
Q Cf
几点结论：
1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关， 而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，
2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线形关系的输出电压。
lb
l
d12 d11
Qx d12 tb Fy d12 t Fy
根据晶体轴对称条件，
d12 d11
所以，
Qx
d12
l t
Fy
d11
l t
Fy
几点结论
• 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或 电场强度）之间呈线性关系；
• 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在 逆压电效应；
出的要求、工作环境温度等各种因素。 • 晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。
晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。
压电式压力传感器 • 测量均布压力的传感器