超聲波探測原理

超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。產(chǎn)生超聲波的裝置有機(jī)械型超聲發(fā)生器(例如氣哨、汽笛和液哨等)、利用電磁感應(yīng)和電磁作用原理制成的電動超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)制成的電聲換能器等。

超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及

40-45KHZ。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等(其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計)。

倒車?yán)走_(dá)探頭:為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器.超聲波探頭、運用倒車?yán)走_(dá)探頭，總體上講,超聲波發(fā)探頭可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波.目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器.其有兩個壓電晶片和一個共振板.當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波.反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時它就成為超聲波探頭了

磁致伸縮：把鐵磁物質(zhì)放入磁場中，其尺寸會發(fā)生變化。反之，這種材料受外力作用產(chǎn)生形變，也會引起內(nèi)部磁場的改變。這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。前者為正效應(yīng)(焦耳效應(yīng)、用于超聲輻射)，后者為逆效應(yīng)(費賴效應(yīng)用于超聲接收)。利用磁致伸縮效應(yīng)可實現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的互相轉(zhuǎn)換，制成磁致伸縮超聲換能器。

磁致伸縮材料 / Magnetostrictive?material

具有磁致伸縮特性的材料。工程上利用這一特性將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。磁致伸縮是指在交變磁場的作用下，物體產(chǎn)生與交變磁場頻率相同的機(jī)械振動;或者相反，在拉伸、壓縮力作用下，由于材料的長度發(fā)生變化，使材料內(nèi)部磁通密度相應(yīng)地發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)電流，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

磁致伸縮材料根據(jù)成分可分為金屬磁致伸縮材料和鐵氧體磁致伸縮材料。金屬磁致伸縮材料電阻率低，飽和磁通密度高，磁致伸縮系數(shù)λ大(λ=Δl/l，l為材料原來的長度，Δl為在磁場H作用下的長度改變量),用于低頻大功率換能器，可輸出較大能量。鐵氧體磁致伸縮材料電阻率高，適用于高頻，但磁致伸縮系數(shù)和磁通密度均小于金屬磁致伸縮材料。Ni-Zn-Co鐵氧體磁致伸縮材料由于磁致伸縮系數(shù)λ的提高而得到普遍應(yīng)用。

工程上常用磁致伸縮材料制成各種超聲器件，如超聲波發(fā)生器、超聲接收器、超聲探傷器、超聲鉆頭、超聲焊機(jī)等;回聲器件，如聲吶、回聲探測儀等;機(jī)械濾波器、混頻器、壓力傳感器以及超聲延遲線等。

超聲波的兩個主要參數(shù)：

頻率：F≥20KHz(在實際應(yīng)用中因為效果相似，通常把F≥15K的聲波也稱為超聲波);

功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2);通常p≥0.3w/cm2