超声波测厚度

在超声波测厚度技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法，其工作原理如图7－10所示。脉冲回波法测量工件厚度的原理，主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中的传播速度求出工件的厚度。

图7－10中主控制器产生一定频率的脉冲信号，并控制发射电路把它经电流放大后接到超声波发生器上去。超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后，被底面反射回来，并由同一个超声波发生器接收。接收到的脉冲信号经放大器加至示波器的垂直偏转板上。标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号，也加至示波器的垂直偏转板上。扫描电压加至示波器的水平偏转板上。这样，在示波器荧光屏上就可以直接观察到发射脉冲与接收脉冲。根据横轴上的时间标记可知从发射到接收的时间间隔t，则工件的厚度d可由下式求得

图7－10 脉冲回波法测厚度框图

标记信号一般可以调节，根据测量的要求选择。如果预先用标准试件进行校正，可以根据荧光屏上发射与接收的两个脉冲间的标记信号直接读出被测工件的厚度。

知识拓展

超声波换能器及耦合技术

超声波换能器有时又称超声波探头。超声波换能器根据其工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主要采用压电式。换能器由于其结构不同又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等。

1.以固体为传导介质的探头

用于固体介质的单晶直探头 （俗称直探头）的结构如图7－11（a）所示。压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损，改善耦合条件，阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波的产生。

双晶直探头的结构如图7－11（b）所示。它是由两个单晶直探头组合而成，装配在同一壳体内。两个探头之间用一块吸声性强、绝缘性能好的薄片加以隔离，并在压电晶片下方增设延迟块，使超声波的发射和接收互不干扰。在双探头中，一只压电晶片担任发射超声脉冲的任务，而另一只担任接收超声脉冲的任务。双探头的结构虽然复杂一些，但信号发射和接收的控制电路却较为简单。

有时为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头，如图7－11（c）所示。压电晶片粘贴在与底面成一定角度 （如30°、45°等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质 （试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。

图7－11 超声波探头的结构

（a）单晶直探头；（b）双晶直探头；（c）斜探头1—插头；2—外壳；3—阻尼吸收块；4—引线；5—压电晶体；6—保护膜；7—隔离层；8—延迟块；9—有机玻璃斜模块

2.耦合剂

在图7－11中，无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在被测介质 （特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。更重要的是，由于超声探头与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物表面间必然存在一层空气薄层。空气的密度很小，将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业上，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学糨糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小辅合损耗。

3.以空气为传导介质的超声波发射器和接收器

此类发射器和接收器一般是分开设置的，两者的结构也略有不同。图7－12所示为空气传导用的超声波发射器和接收器的结构。发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以提高接收效率。

图7－12 空气传导型超声发射器、接收器的结构

（a）超声发射器；（b）超声接收器1—外壳；2—金属丝网罩；3—锥形共振盘；4—压电晶片；5—引线端子；6—阻抗匹配器

先导案例解决

图7－13所示为超声报警电路，上图为发射部分，下图为接收部分的原理框图。它们装在同一块线路板上。发射器发射出频率f＝40k Hz左右的连续超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Δf。

所谓多普勒效应是指当超声波源与传播介质之间存在相对运动时，接收器接收到的频率与超声波源发射的频率将有所不同。产生的频偏±Δf与相对速度的大小及方向有关。当高速行驶的火车向你逼近和掠过时，所产生的变调声就是多普勒效应引起的。接收器将收到两个不同频率所组成的差拍信号 （40k Hz以及偏移的频率40k Hz±Δf）。这些信号由40k Hz选频放大器放大，并经检波器检波后，由低通滤波器滤去40k Hz信号，而留下Δf的多普勒信号。此信号经低频放大器放大后，由检波器转换为直流电压，去控制报警喇叭或指示器。

利用多普勒效应可以排除墙壁、家具的影响 （它们不会产生Δf），只对运动的物体起作用。由于振动和气流也会产生多普勒效应，故该防盗报警器多用于室内。根据本装置的原理，还能运用多普勒效应去测量运动物体的速度；液体、气体的流速；汽车防碰、防追尾等。

图7－13 超声防盗报警器电原理框图