基本放大電路

1、第七章超聲波傳感器課題：超聲波傳感器的原理及應(yīng)用課時(shí)安排：2課次編號(hào)：11教材分析難點(diǎn)：無(wú)損探傷重點(diǎn)：超聲波傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解超聲波的物理根底；2、掌握縱波探傷的計(jì)算；4、了解無(wú)損探傷的原理。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：講授、課堂互動(dòng)、分析教具：各種超聲波傳感器各 教 學(xué) 環(huán) 節(jié) 和 內(nèi) 容演示：做以下的實(shí)驗(yàn)：將超聲波換能器浸入透明的杯子中，可以看到水受到強(qiáng)烈的振動(dòng)，形成噴泉和水 霧。結(jié)論：超聲波的方向性強(qiáng)，能量集中。第一節(jié)超聲波物理根底一、聲波的本質(zhì)和分類聲波是一種機(jī)械波。1.可聞聲波：振動(dòng)頻率在 20Hz20kHz的范圍內(nèi)，可為人耳所感覺(jué)2 .次聲波：振動(dòng)頻率在 20Hz以下人

2、耳無(wú)法感知，但許多動(dòng)物卻能感受到。比方 地震發(fā)生前的次聲波就會(huì)引起許多動(dòng)物的異常反響。3 .超聲波：振動(dòng)頻率高于 20kHz的機(jī)械振動(dòng)波超聲波的特點(diǎn)：指向性好，能量集中，穿透本領(lǐng)大，在遇到兩種介質(zhì)的分界面例如鋼板與空氣的交界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波的特性與頻率的關(guān)系：頻率越高，其聲場(chǎng)指向性就愈好，與光波的反射、 折散特性就越接近。二、超聲波的傳播方式超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、外表波等幾種。三、聲速、波長(zhǎng)與指向性1聲速 聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。幾 種常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關(guān)系如表7-1所示。表7-1 常用材

3、料的密度、聲阻抗與聲速環(huán)境溫度為0C材料密度3-1p/10 kg m聲阻抗-1z/10MPa s縱波聲速-1CL/km s橫波聲速-1CS/km s鋼7.8465.93.23鋁2.7176.33.1銅8.9424.72.1有機(jī)玻璃1.183.22.71.2甘油1.262.41.9水20 C 1.01.481.48油0.91.281.4二空氣0.00120.00040.34二分析表7-1:多數(shù)情況下，密度和聲阻抗越大，聲速越快。第二節(jié)超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波換能器有時(shí)又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸 縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器

4、又分 為直探頭、斜探頭、雙探頭、外表波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳 導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等，超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-5所示。圖7-5超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖a單晶直探頭 b雙晶直探頭 c斜探頭1接插件 2外殼 3阻尼吸收塊 4 引線 5壓電晶體 6 保護(hù)膜7 隔離層 8 延遲塊 9 有機(jī)玻璃斜楔塊 10試件 11耦合劑一、以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭1單晶直探頭分析發(fā)射和接收過(guò)程：發(fā)射超聲波時(shí)，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出一束頻率落在超聲范圍內(nèi)、持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。超聲波到達(dá)被測(cè)物底部后，超聲波的絕大局部能量被底部界面所反射。反射波

5、經(jīng)過(guò)一短暫的傳播時(shí)間回到壓電晶片。利用壓電效應(yīng)，晶片將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。由于衰減等原因，該電壓通常只有幾十毫伏，還要加以放大，才能在顯示器上顯 示出該脈沖的波形和幅值。結(jié)論：超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所 以單晶直探頭是處于分時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開(kāi)關(guān)來(lái)切換這兩種不同的狀態(tài)，電子 開(kāi)關(guān)切換電路框圖見(jiàn)第三節(jié)的圖7-10。2雙晶直探頭 結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的 反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。3使用斜探頭的目的：為了使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介質(zhì)中，可使壓電晶片粘貼在與底面成一定角度如30、45等的有機(jī)玻璃斜

6、楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)試件接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去。二、以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭發(fā)射器的壓電片上必須粘貼了一只錐形共振盤(pán)，以提高發(fā)射效率和方向性。 接收器在共振盤(pán)上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲、提高接收效率。 空氣傳導(dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍：幾米至幾十米。圖7-6空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)a超聲發(fā)射器 b超聲接收器1外殼 2金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤(pán) 4壓電晶片 5引腳 6阻抗匹配器 7 超聲波束三、耦合劑用途：1防磨損；2必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。常用的耦合劑：水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、

7、化學(xué)漿糊等。分析各種場(chǎng)合，使用不同的耦合劑。8大面積鋼板探傷時(shí)，耦合劑應(yīng)選 為宜；機(jī)床床身探傷時(shí)，耦合劑應(yīng)選 為宜；給人體做B超時(shí)，耦合劑應(yīng)選 。A .自來(lái)水B.機(jī)油C.液體石蠟D .化學(xué)漿糊第三節(jié)超聲波傳感器的應(yīng)用2 .超聲波測(cè)厚測(cè)量試件厚度的方法：電感測(cè)微器分辨力可達(dá)0.5卩m、電渦流測(cè)厚儀只能測(cè)0.1mm以內(nèi)的金屬厚度、數(shù)顯電容式游標(biāo)卡尺分辨力可達(dá)10卩m。超聲測(cè)厚儀特點(diǎn)：量程范圍大、無(wú)損、便攜等。缺點(diǎn)：測(cè)量精度與溫度及材料的材質(zhì)有關(guān)。在電路上只要在從發(fā)射到接收這段時(shí)間內(nèi)使計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，便可到達(dá)數(shù)字顯示之目的。, 1ct7-423.超聲波測(cè)量液位和物位林沖放大器7777777777777

8、7777777圖7-10超聲波液位計(jì)原理圖1液面 2直管 3空氣超聲探頭4反射小板5電子開(kāi)關(guān)例7-1超聲波液位計(jì)原理如圖7-10所示，從顯示屏上測(cè)得t0=2ms, thi=5.6ms。水底與超聲探頭的間距為10m，反射小板與探頭的間距為0.34m,求液位h。解由于h。，*t0 th1所以有t h 1 .h1= h1 h0 = ( 5.6 0.34/2) m=0.95m to所以液位h為h=h2- h1= (10-0.95) m=9.05m由于空氣中的聲速隨溫度改變會(huì)造成溫漂，所以在傳送路徑中還設(shè)置了一個(gè)反射 性良好的小板作標(biāo)準(zhǔn)參照物，以便計(jì)算修正。上述方法除了可以測(cè)量液位外，也可以 測(cè)量粉體和

9、粒狀體的物位。4.超聲防盜報(bào)警器圖7-11為超聲報(bào)警電路。上圖為發(fā)射局部，以下圖為接收局部的電原理框圖。它們 裝在同一塊線路板上。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的連續(xù)超聲波(空氣超聲探頭選用40kHz工作頻率可獲得較高靈敏度，并可避開(kāi)環(huán)境噪聲干擾)。如果有人進(jìn)入信號(hào)的有效區(qū)域，相對(duì)速度為v,從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應(yīng)，而發(fā)生頻率偏移訐。f脈沖放丈器提生器他(kHz)選頻(4恥血)/±A/第檢諛器低通低頻 放大器聲、光%第-檢波娜圖7-11超聲防盜報(bào)警器電原理框圖多普勒效應(yīng)：當(dāng)超聲波源與傳播介質(zhì)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的頻率 與超聲波源發(fā)射的頻率將有所不同。

10、產(chǎn)生的頻偏_.f與相對(duì)速度的大小及方向有關(guān)。舉例：當(dāng)高速行駛的火車向你逼近和掠過(guò)時(shí)，所產(chǎn)生的變調(diào)聲就是多普勒效應(yīng)引 起的。接收器的電路原理：壓電喇叭收到兩個(gè)不同頻率所組成的差拍信號(hào)40kHz以及偏移的頻率40kHz ±Af 。這些信號(hào)由40kHz選頻放大器放大，并經(jīng)檢波器檢波后，由 低通濾波器濾去40kHz信號(hào)，而留下 f的多普勒信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)低頻放大器放大后， 由檢波器轉(zhuǎn)換為直流電壓，去控制報(bào)警揚(yáng)聲器或指示器。利用多普勒原理的好處：可以排除墻壁、家具的影響它們不會(huì)產(chǎn)生也f,只對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體起作用。由于振動(dòng)和氣流也會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，故該防盜報(bào)警器多用于室內(nèi)。擴(kuò)散思維：根據(jù)本裝置的原理，

11、還能運(yùn)用多普勒效應(yīng)去測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度，液 體、氣體的流速，汽車防碰、防追尾等。第四節(jié)無(wú)損探傷一、無(wú)損探傷的根本概念 無(wú)損探傷一般有三種含義：1. 無(wú)損檢測(cè) NDT No ndestructive Testi ng；2. 無(wú)損檢查 NDI Non destructive In spection3. 無(wú)損評(píng)價(jià) NDE Non destructive Evaluatio n 。NDT僅僅是檢測(cè)出缺陷；NDI那么以NDT結(jié)果為判定根底；而 NDE那么是對(duì)被測(cè)對(duì) 象的完整性、可靠性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。近年來(lái)，無(wú)損探傷已逐步從NDT向NDE過(guò)渡。無(wú)損檢測(cè)的方法：對(duì)鐵磁材料，可采用磁粉檢測(cè)法；對(duì)導(dǎo)電材料，可用

12、電渦流法；對(duì)非導(dǎo)電材料還 可以用熒光染色滲透法。以上幾種方法只能檢測(cè)材料外表及接近外表的缺陷。采用放射線X光、中子、3射線照相檢測(cè)法可以檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷，但對(duì)人 體有較大的危險(xiǎn)，且設(shè)備復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。除此之外，還有紅外、激光、聲發(fā)射、微波、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)CT探傷等。超聲波檢測(cè)和探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損探傷手段。特點(diǎn)：既可檢測(cè)材料外表的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷，這是X光探傷所達(dá)不到的深度。三超聲探傷分類：A、B、C等幾種類型。1 A型超聲探傷A型探傷的結(jié)果以二維坐標(biāo)圖形式給出。它的橫坐標(biāo)為時(shí)間 軸，縱坐標(biāo)為反射波強(qiáng)度。可以從二維坐標(biāo)圖上分析出缺陷的深度、大致尺寸，但較 難識(shí)

13、別缺陷的性質(zhì)、類型。2 B型超聲探傷B型超聲探傷的原理類似于醫(yī)學(xué)上的B超。它將探頭的掃描距離作為橫坐標(biāo)，探傷深度作為縱坐標(biāo)，以屏幕的輝度亮度來(lái)反映反射波的強(qiáng)度。 它可以繪制被測(cè)材料的縱截面圖形。探頭的掃描可以是機(jī)械式的，更多的是用計(jì)算機(jī)來(lái)控制一組發(fā)射晶片陣列線陣來(lái)完成與機(jī)械式移動(dòng)探頭相似的掃描動(dòng)作，但掃描 速度更快，定位更準(zhǔn)確。3 C型超聲探傷目前開(kāi)展最快的是 C型探傷，它類似于醫(yī)學(xué)上的 CT掃描原理。計(jì)算機(jī)控制探頭中的三維晶片陣列面陣，使探頭在材料的縱、深方向上掃描，因此可繪制出材料內(nèi)部缺陷的橫截面圖，這個(gè)橫截面與掃描聲束相垂直。橫截面圖上 各點(diǎn)的反射波強(qiáng)通過(guò)相對(duì)應(yīng)的幾十種顏色，在計(jì)算機(jī)的高

14、分辨率彩色顯示器上顯示出 來(lái)。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法，可以得到缺陷的立體圖像和每一個(gè)斷面的切片圖像。C型超聲探傷的特點(diǎn)：利用三維動(dòng)畫(huà)原理，分析員可以在屏幕上控制該立體圖像，以任意角度來(lái)觀察缺 陷的大小和走向。當(dāng)需要觀察缺陷的細(xì)節(jié)時(shí)， 還可以對(duì)該缺陷圖像進(jìn)行放大 放大倍數(shù)可達(dá)幾十倍 并顯示出圖像的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如缺陷的面積、尺寸和性質(zhì)。對(duì)每一個(gè)橫斷面都可以作出 相應(yīng)的解釋和評(píng)判其是否超出設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。每一次掃描的原始數(shù)據(jù)都可記錄并存貯，可以在以后的任何時(shí)刻調(diào)用，并打印探 傷結(jié)果。二、A型超聲探傷A型超聲探傷采用超聲脈沖反射法。而脈沖反射法根據(jù)波形不同又可分為縱波探 傷、橫波探傷和外表波探傷等。A型超聲探傷儀外形

15、如圖 7-12所示。圖7-12 A型超聲波探傷儀外形a臺(tái)式A型探傷儀 b便攜式A型探傷儀1電纜插頭座 2工作方式選擇 3衰減細(xì)調(diào) 4衰減粗調(diào) 5發(fā)射波T6第一次底反射波 Bi 7 第二次底反射波 B28第五次底反射波 B5 9 掃描時(shí)間調(diào)節(jié)10 掃描時(shí)間微調(diào) 11脈沖X軸移位12 報(bào)警揚(yáng)聲器13 直探頭一縱波探傷的方法測(cè)試前，先將探頭插入探傷儀的連接插座上。探傷儀面板上有一個(gè)熒光屏，通過(guò) 熒光屏可知工件中是否存在缺陷、缺陷大小及缺陷位置。工作時(shí)探頭放于被測(cè)工件上， 并在工件上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。探頭發(fā)出的超聲波，以一定速度向工件內(nèi)部傳播，如 工件中沒(méi)有缺陷，那么超聲波傳到工件底部便產(chǎn)生反射，反射

16、波到達(dá)外表后再次向下反 射，周而復(fù)始，在熒光屏上出現(xiàn)始脈沖T和一系列底脈沖 B1、B2、B3、見(jiàn)圖7-12所示。B波的高度與材料對(duì)超聲波的衰減有關(guān)，可以用于判斷試件的材質(zhì)、內(nèi)部晶體 粗細(xì)等微觀缺陷?？v波探傷示意圖如圖7-13所示。圖7-13縱波探傷示意圖a無(wú)缺陷時(shí)超聲波的反射及顯示波形b有缺陷時(shí)超聲波的反射及顯示波形分析圖7-13b:熒光屏上的水平亮線為掃描線時(shí)間基線，其長(zhǎng)度與工件的厚度成正比可調(diào)整。 1缺陷面積大，那么缺陷脈沖F脈沖的幅度就高，而 B脈沖的幅度就低。2. F脈沖距離T脈沖越近，缺陷距離外表經(jīng)越近。例7-2 圖7-13b中，顯示器的X軸為10卩s/div格)，現(xiàn)測(cè)得B波與T波的距離為 10格，F(xiàn)波與T波的距離為3.5格。求：1) t s及 tF； 2)鋼板的厚度 3及缺陷與外表的 距離Xf。解 1)