超声波探头主要技术参数

一、超声波探头

超声波探头又称超声波换能器，它是采用进口镀膜晶片，适用于空气介质中测距、物位检测的电声转换器件。由于换能器的聚焦件采用了多层阻抗匹配、背衬、压电元件频率误差小，具有良好的时间稳定性和温度稳定性、无退极化现象，通带特性好，芯片与声传输器件统一计算基波谐振频率。独创的背衬材料配方，具有良好的振动特性，使换能器有很大的频带宽度，发射和接收灵敏度高，以及较小的脉冲－回波持续时间，获得了最大的等效机电耦合系数。

二、探头主要技术参数

◇ 中心谐振频率：40kHz±2kHz

◇ 静态电容量：3300P±300P

◇ 谐振阻抗：120Ω±20Ω

◇ 频带宽度（－3dB）：Δf－3dB≥2kHz

◇ 工作电压：300～500VP－P

◇ 极限电压≤1000VP－P

◇ 发射波束角：6O度

◇ 工作温度：-40～+80℃

◇ 防护等级：IP65

三、模块性能

1：使用电压：DC5V；

2：静态电流：小于2mA；

3：输出信号：电平信号，高电平5V，低电平为0V；

5：感应角度：60度；

6：探测距离：0.01 – 5.00米；

7:高精度：可达1mm

四、脚引接线说明

（脚引定义的观察方向：探头向下，引脚向内，从左到右）

1、GND和VCC是电源供电引脚，模块正5V供电；

2、IN脚是模块的信号输入脚，用户从此脚输入控制信号，驱动模块工作，控制信号

可以从单片机的IO口输出方波信号；

3、OUT脚是模块接收到超声波后的返回信号输出脚，此引脚步在模块上电后输出高电

平，当用户从输入脚发出驱动信号后，如果模块接收到返回超声波，OUT引脚即被拉低，输出低电平；

4、保留引脚用于功能扩展；

五、工作原理

用户通过从IN脚输入40KH的方波信号，即用户从单片机的IO口连续发出高低电平，产生方波，方波的个数一般为10个左右，发出后用户启动定时器，开始计时，此时，超声波发射头开始发出超声波，当发出的超声波被前方的障碍物返射回来，返射回来的超声波被接收探头接收到，此时，模块的OUT引脚会产生一个从高电平到低电平的跳变，此时，用户要停止计时，用户通过计时的时间，根据以下公式计算测量距离：

测量距离= (时间*声速( 340M/S ) ) / 2

六、注意事项

1、超声波发射头向外发射60度角的超声束，因此，在探头与被测物体之间不能有其他障碍物。

2、超声波模块测得的是被测物体与探头之间的垂直距离，测量时要保持探头正对被测物体。

3、超声波测量会受环境风速、温度等的影响。

七、可能出现的问题

1、由于超声波会受到被测物体不平整、反射角度、环境风速温度以及多次反射的影响，可能会带来测量数据误差增大。

2、由于超声波有测量盲区的固有特性，因此，如果近距离测量时，当测量位置发生变化而接收到的数据不变时，说明进入了测量盲区。

3、模块在测量远处物体时，如果没有测量数据返回，可能是超出测量范围，或是测量角

度不对。可以适当调整测量角度。

超声波探头

第三章探伤仪、探头和试块3.1第一节：探伤仪 3.2 探头 一、压电效应与压电材料 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。 常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（P bNb2O4）等。 二、探头的编号方法 三、探头的基本结构 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。 四、直探头 （一）直探头的保护膜

1.压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜 有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。 2.软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可 改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。 3.保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗Zm应满足 一定要求。 4.试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、灵敏 度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。 （二）直探头的吸收块 为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。 五、斜探头 （一）结构与类型 （二）透声楔 斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射角，并达到波型转换的目的。 一发一收型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔，这是因为有机玻璃声学

焊缝探伤超声波探头的选择方案参考

焊缝探伤超声波探头的选择方案参考 编号被测工件厚度选择探头和斜率选择探头和斜率 14—5mm6×6 K3 不锈钢：1.25MHz 铸铁：0.5—2.5 MHz 普通钢：5MHz 26—8mm8×8 K3 39—10mm9×9 K3 411—12mm9×9 K2.5 513—16 mm9×9 K2 617—25 mm13×13 K2 726—30 mm13×13 K2.5 831—46 mm13×13 K1.5 947—120 mm13×13( K2—K1) 10121—400 mm18×18 ( K2—K1) 20×20 ( K2—K1) 超声波探伤在无损检测焊接质量中的作用 焊缝检验方法: 1,外观检查. 2,致密性试验和水压强度试验. 3,焊缝射线照相. 4,超声波探伤. 5,磁力探伤. 6,渗透探伤.关于返修规定:具体情况具体对待,总之要力争减少返修次数在厂房建设及设备安装中大量使用钢结构，钢结构的焊接质量十分重要，无损检测是保证钢结构焊接质量的重要方法。 无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而射线照相等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大提高检测的准确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据工件的情况和检测的目的来确定。 那么什么又叫超声波呢？声波频率超过人耳听觉，频率比20千赫兹高的声波叫超声波。用于探伤的超声波，频率为0.4-25兆赫兹，其中用得最多的是1-5兆赫兹。利用声音来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。例如，用手拍拍西瓜听听是否熟了；医生敲敲病人的胸部，检验内脏是否正常；用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否坏了等等。但这些依靠人的听觉来判断声响的检测法，比声响法要客观和准确，而且也比较容易作出定量的表示。由于超声波探伤具有探测距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，而且探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测费用较低等特点，目前建筑业市场主要采用此种方法进行检测。

超声波探头知识分享

超声波探头

第三章探伤仪、探头和试块 3.1第一节：探伤仪 3.2 探头 一、压电效应与压电材料 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。 常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO 3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。 二、探头的编号方法 三、探头的基本结构 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。

四、直探头 （一）直探头的保护膜 1.压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。 常用保护膜有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。 2.软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的 表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。 3.保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗 Zm应满足一定要求。 4.试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率 变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。 （二）直探头的吸收块 为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。 五、斜探头 （一）结构与类型

超声波探头-UTIII

第一节超声波探头 一.以构造分类 1.直探头: 单晶纵波直探头双晶纵波直探头 2.斜探头: 单晶横波斜探头α1<αL<αⅡ，双晶横波斜探头 单晶纵波斜探头αL<α1为小角度纵波斜探头 αL在α1附近为爬波探头 爬波探头；沿工件表面传输的纵波，速度快、能量大、波长长探测深度较表面波深，对工件表面光洁度要求较表面波松。（频率2.5MHZ波长约 2.4mm，讲义附件11、12、17题部分答案）。 3.带曲率探头: 周向曲率径向曲率。 周向曲率探头适合---无缝钢管、直缝焊管、筒型锻件、轴类工件等轴向缺陷的检测。工件直径小于2000mm时为保证耦合良好探头都需磨周向曲率。 径向曲率探头适合---无缝钢管、钢管对接焊缝、筒型锻件、轴类工件等径向缺陷的检测。工件直径小于600mm时为保证耦合良好探头都需磨径向曲率。 4.聚焦探头: 点聚焦线聚焦。 5.表面波探头:(当纵波入射角大于或等于第二临界角,既横波折射角度等于900形成表面波). 沿工件表面传输的横波，速度慢、能量低、波长短探测深度较爬波浅，对工件表面光洁度要求较爬波严格。 第一章“波的类型”中学到：表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。（频率2.5MHZ波长约1.3mm，讲义附件11、12题部分答

案）。 二.以压电晶体分类: 三.压电材料的主要性能参数: 1.压电应变常数d33: d33=?t/U在压电晶片上加U这么大的应力,压电晶片在厚度上发生了?t的变化量,d33越大,发射灵敏度越高(82页最下一行错)。 2.压电电压常数g33: g33=UP/P在压电晶片上加P这么大的应力.在压电晶片上产生UP这么大的电压,g33越大,接收灵敏度越高。 3.介电常数ε: ε=Ct/A[C-电容、t-极板距离(晶片厚度)、A-极板面积(晶片面积)]; C小→ε小→充、放电时间短.频率高。 4.机电偶合系数K: 表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。 对于正压电效应:K=转换的电能/输入的机械能。

第3章 医用超声换能器与探头

第3章 医用超声换能器与探头 超声诊断仪是通过探头产生入射超声波(发射波)和接收反射超声波(回波)的，它是诊断设备的重要部件。高频电能激励探头中的晶体产生机械振动，反射超声波的机械振动又可以通过探头转换为电脉冲。也就是说探头能将电能转换成声能，又能够将声能转换成电能，所以探头又称作超声换能器。其原理来自于晶体的压电效应。 §3.1压电效应 压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性，此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现，故也称居里效应（图3-7）。 图3-1晶体的压电效应 具有压电效应性质的晶体，称为压电晶体。目前常用于超声探头的晶体片有锆酸铅、钛酸钡、石英、硫酸锂等人工或天然晶体。钛酸钡及锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体，把毛坯烧结成陶瓷体后，经过适当的研磨修整，

得到所需的几何尺寸，再用高压直流电场极化后，就具有压电性质，成为换能器件。 3.1.1正压电效应 在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械力使其发生形变，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷；形变方向相反，电荷的极性随之变换，电荷密度同外施机械力成正比，这种因机械力作用而激起表面电荷的效应，称为正压电效应，如图3-7(a)。 3.1.2逆压电效应 在晶体或陶瓷表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体或陶瓷几何形状应变，电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，称为逆压电效应，如图3-7(b)。 一般情况下，压电效应是线性的，然而，当电场过强或压力很大时，就会出现非线性关系。 晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸的不同，产生机械振动的固有频率也不同，当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。 §3.2压电换能器的特性 压电换能器的特性参量很多，现只简单介绍以下3种。 3.2.1频率特性 压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有其固有的谐振频率，当所施力的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生

超声波探头打图注意事项

超声打图注意事项 超声打图的一些基本的注意事项我初步从以下几点说明： （一）探头的选择及检查部位 1、凸阵探头:一般频率在2.0-6.0MHZ之间，打图的部位是人体较深的脏器比如：肝脏、肾 脏、胆囊、胰脏、脾脏等部位。 2、线阵探头：一般频率在6.0-12.0MHZ之间，打图部位是人体内浅表的脏器比如：甲状腺、 血管、乳腺、眼睛等部位 3、腔体探头：一般频率在5.0-9.0MHZ之间，检查途径一般是经阴道检查子宫及其附件组织、 和经直肠检查直肠周边的子宫及其附件组织和前列腺。 （二）仪器的调节 在打超声图前首先调节仪器的基本键，主要调节的内容有： 1、TGC 一般调制中间位置，如果图像近场或者远场比较暗或亮时，可适度调节各场对应的TGC。 2、深度调节标准为能清楚的看见所检查脏器的各个部位为准。 3、总增益的调节如果图像近远场都比较暗或者亮时调节此键。 通常情况下调节这三个键都能使图像达到清晰状态。 （三）如何观察图像 我们打图经常用的脏器就是肝脏、肾脏和颈部血管，这里就着重说明这几个脏器的图像如何查看。 1、肝脏右叶切面： 此切面一般在剑突下或者肋间隙就可以打出来。要能看见肝右叶的所有部位，肝包膜完整，肝脏实质内光点均匀，移动探头也可以看到三条肝静脉图片，在CFM模式下呈三条分叉的蓝色血流信号。 2、肾脏纵切面： 此切面一般在背部两侧的腰部中间处将探头竖着打或者斜着打就可以看见。要能看见肾脏包膜完整、肾脏皮质实质分界清楚，还能看见呈树枝状得肾脏血管走形，在CFM模式下呈红蓝相间的树枝状血管，血流很丰富。 3、颈动脉纵切面：

血管的超声图片清晰与否，主要看血管腔内是不是均匀的无回声区域，管壁清晰连贯，CFM 模式下血流是否充盈。 （四）列举图像 1、凸阵探头：就以肝脏右叶图和肾脏纵切面图为例，让大家更直观的看图像。 肝脏右叶切面图，可以看见肝脏包膜完整，肝实质光点分布均匀，三条肝静脉，中间最长的为肝中静脉。

超声探头简介

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 。

如何选择超声波探伤仪探头

如何选择超声波探伤仪 探头 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

如何选择超声波探伤仪探头 超声波探伤仪探头的主要作用：一是将返回来的声波转换成电脉冲；二是控制超声波的传播方向和能量集中的程度,当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时,可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性,提高分辨率；三是实现波形转换；四是控制工作频率,适用于不同的工作条件。 超声波探伤仪探头种类繁多，日常使用中常见的探头种类有以下几种： 1、超声波探伤仪直探头 进行垂直探伤用的单晶片探头，主要用于纵波探伤。直探头由插座、外壳、保护膜、压电晶片、吸声材料等组成，头接触面为可更换的软膜，用于检测表面粗糙的工件。 2、超声波探伤仪斜探头 进行斜射探伤用的探头，主要用于横波探伤。斜探头由斜块、压电晶片、吸声材料、外壳、插座等组成，斜探头的声束与探头表面倾斜，因此可用于检测直声束无法到达的部位、或者缺陷的方向与检测面之间存在夹角的区域。 3、超声波探伤仪小径管探头 单晶微型横波斜探头，用于小直径薄壁管焊接接头的检验。检测标准参照电力行业标准DL/T8202002《管道焊接接头超声波检验技术规程》，适合检测管径≥32mm、小于等于159mm，壁厚≥4mm、小于14mm的小直径薄壁管；也可适用于其他行业类似管道的检测。探头外形尺寸小,前沿距离≤5mm，始脉冲占宽≤(相当于钢中深度)，分辨力大于等于20dB。根据被检测管道外径的不同，检测面被加工成对应管径的弧度。 4、超声波探伤仪表面波探头

用于发射和接收表面波的探头。表面波是沿工件表面传播的波，幅值随表面下的深度迅速减少，传播速度是横波的倍，质点的振动轨迹为椭圆。表面波探头在被检工件的表面和近表面产生表面波。型号中列明的角度为有机玻璃斜块的倾斜角(入射角)。 5、超声波探伤仪可拆式斜探头 斜探头的一种特殊类型，将斜探头分成斜块、探头芯两个部分，使用时将两者组合起来。常用的规格的探头芯、不同K值的斜块、、、、等等)。接受定制其他规格的可拆式斜探头。 6、超声波非金属检测用探头 用于检测非金属材料，如混凝土、木材、岩石等。成对使用，一发一收，工作方式为透射式。铝合金外壳，频率从到250KHz，连接到探头线的插座为Q9。 7、超声波探伤仪双晶探头 装有两个晶片的探头，一个作为发射器，另一个作为接收器。又称分割式探头、或者联合双探头。双晶探头主要由插座、外壳、隔声层、发射晶片、接收晶片、延迟块等组成，使用垂直的纵波声束扫查工件。相对直探头而言，双晶直探头具有更好的近表面缺陷检出能力；对于粗糙或者弯曲的检测面，具有更好的耦合效果。 8、超声波水浸式探头 用于半自动或者自动化探伤系统中。当探头发射的声束轴线垂直于检测面时，纵波直声束扫查工件；调节探头声束轴线与检测面成一定的夹角，声束在水和工件这两种介质的界面折射，可在工件中产生倾斜的横波声束来扫查工件。将探头晶片前面的有机玻璃或者固化的环氧树脂加工成一定弧度(球面或者圆柱面)，可得到点聚焦或者线聚焦的水浸式探头。 如何选择超声波探伤仪探头下面给出最常用的超声波斜探头的选择方案参考：

超声波距离传感器技术原理与应用

超声波距离传感器技术原理与应用 2007-4-24 10:16:00 兆洲科技供稿收藏 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括： （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 结构与工作原理 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。 室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。（参见图4）对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。 利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/m2s，而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种

2021年超声探头简介

超声探头 欧阳光明（2021.03.07） 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，而且内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。 在自然界中大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，内 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)石英与压电陶瓷的压电效应机理 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 ?=11d11——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。

超声探头

超声波探头 探头 一、压电效应与压电材料 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。 常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。 二、探头的编号方法 三、探头的基本结构 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。 它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。 此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。 四、直探头 （一）直探头的保护膜 1.压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常 用保护膜有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。 2.软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表 面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。 3.保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗 Zm应满足一定要求。 4.试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变 差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需

超声波斜探头结构及工作原理

超声波探头根据不同的用途分为许多种类，有纵波直探头、纵波斜探头、横波斜探头、表面波探头、爬坡探头等等。其中纵波直探头和横波斜探头在工作检测中最为常见。直探头与横波斜探头在结构与工作原理等方面有诸多相似之处，本文介绍横波斜探头的结构、探头工作原理以及影响探头性能的主要因素。 1、探头结构 超声波斜探头由吸声材料、外壳、阻尼块、斜楔块和产生超声波的压电晶片等原件组成。如图1为超声波斜探头结构示意图。 图1.超声波斜探头结构示意图 吸声材料作用是吸收晶片背面、斜块四周发散的超声波噪声；探头外壳有金属外壳和塑料外壳，外壳起到支撑固定、保护以及电磁屏蔽等作用。探头阻尼对压电晶片的振动起阻尼作用，一是可使晶片起振后尽快停下来，减少晶片余震，减小超声波脉冲宽度，提高超声检测分辨力；二是吸收晶片向背面发射的超声波，减少始脉冲杂波；三是同样起到支撑晶片的作用。斜楔块一般采用机玻璃制成，其作用是改变晶片产生的声束角度。压电晶片是整个探头的“心脏”，是探头产生超声波的最关键的元件，一般压电晶片采用石英、压电陶瓷等具 有压电效应的材料制作而成。 2、工作原理 超声波仪器电路产生的电脉冲作到具有压电效应的晶片，使压电晶片产生逆压电效，晶片发生轴线方向和垂直轴线的径向振动，如图2所示。晶片径向振动产生杂波被吸声材料吸收，而轴向振动产生的超声波声束才是有用的声束。晶片振动方向即为超声波质点振动方向，质点振动方向与超声波声束传输方向相同，则可推断出晶片轴向振动产生的有用声束为纵波声束，斜楔块的超声波声速为有机玻璃的纵波声速。当晶片接收到一个电脉冲完成一次逆压电效应，将被固定在晶片上的阻尼块阻止余震，减少超声波余波，从而较小超声波脉冲宽度。 图2.压电晶片轴向和径向振动示意图 晶片产生的纵波声束通过具有一定角度的斜楔块和耦合剂层进入工件，声束在耦合剂与工件接触界面发生波形转换。当纵波声束以小于第一临界角的角度进入工件，工件的声束为纵波和横波，且纵波声束的角度大于横波。入射角大于第一临界角小于第二临界角，工件的声束为纯横波。图3 为入射纵波声束角度小于第一临界角，图4为入射纵波声束角度大于第一临界角且小于第二临界角。 图3.入射纵波声束角度小于第一临界角

超声探头的种类及常用手法

超声探头的种类及常用手法 一、超声探头可以从以下不同方面来分类： 1、按诊断部位分类：有眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头等； 2、按应用方式分类：有体外探头、体内探头、穿刺活检探头； 3、按探头中换能器所用振元数目分类：有单元探头和多元探头； 4、按波束控制方式分类：则有线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头等； 5、按探头的几何形状分类：用在不同诊则有矩形探头、柱断部位的各形探头、弧形探类超声探头（又称凸形）、圆形探头等。 一般情况下，工作中习惯使用的是按照诊断部位分类、波束控制方式分类以及探头的集合形状分类。 二、一般常见的B超探头 1、凸阵探头3.5MHz 2、线阵探头3.5MHz 3、高频线阵7.5MHz 4、腔体探头6.5MHz

5、心脏探头3.2MHz 6、相控阵探头3.0MHz 7、三维探头3.5MH B超换能器（探头）从外形分：机械扇扫与凸阵相似，都是圆柱形，线阵为长方体形；从扫描工作方式分：机械扇扫是由微电机驱动变向机构带动压电陶瓷进行扇形运动，凸阵和线阵则为电子扫描，即通过依次触发压电陶瓷阵列中的阵元来实现扫描；从探测所显示图象分：机械扇扫和图阵为扇子形状，上小下大。线阵则为等宽平面；另外，机械式B超换能器工作时存在机械噪声和微震感，凸阵、线阵则无这些现象。 三、探头使用方向 在超声检查过程中，超声波的发射和接收都是通过探头来实现的。探头的性能直接影响超声波的特性，影响超声的成像效果。常用的超声探头包括相控阵探头、凸阵探头及线阵探头。 （1）相控阵探头探头表面积小，易于通过肋间隙扫查整个心脏。一般频率较低，小儿相控阵探头频率略高。主要用于心脏扫查、颅内血管扫查及肺超声扫查等。 （2）凸阵探头探头表面积较大，易于扫查腹腔各器官及间隙，一般频率较低，小儿凸阵探头略高，但探头表面积较小。主要用于腹腔、盆腔各器官扫查、FAST扫查、胸腔积液扫查及肺超声扫查等。

超声波探头主要技术参数

一、超声波探头 超声波探头又称超声波换能器，它是采用进口镀膜晶片，适用于空气介质中测距、物位检测的电声转换器件。由于换能器的聚焦件采用了多层阻抗匹配、背衬、压电元件频率误差小，具有良好的时间稳定性和温度稳定性、无退极化现象，通带特性好，芯片与声传输器件统一计算基波谐振频率。独创的背衬材料配方，具有良好的振动特性，使换能器有很大的频带宽度，发射和接收灵敏度高，以及较小的脉冲－回波持续时间，获得了最大的等效机电耦合系数。 二、探头主要技术参数 ◇ 中心谐振频率：40kHz±2kHz ◇ 静态电容量：3300P±300P ◇ 谐振阻抗：120Ω±20Ω ◇ 频带宽度（－3dB）：Δf－3dB≥2kHz ◇ 工作电压：300～500VP－P ◇ 极限电压≤1000VP－P ◇ 发射波束角：6O度 ◇ 工作温度：-40～+80℃ ◇ 防护等级：IP65 三、模块性能 1：使用电压：DC5V； 2：静态电流：小于2mA； 3：输出信号：电平信号，高电平5V，低电平为0V； 5：感应角度：60度； 6：探测距离：0.01 – 5.00米； 7:高精度：可达1mm 四、脚引接线说明 （脚引定义的观察方向：探头向下，引脚向内，从左到右） 序号定义说明 1保留保留 2电源地GND 3信号输出OUT 4信号输入IN 5电源VCC+5V

1、GND和VCC是电源供电引脚，模块正5V供电； 2、IN脚是模块的信号输入脚，用户从此脚输入控制信号，驱动模块工作，控制信号 可以从单片机的IO口输出方波信号； 3、OUT脚是模块接收到超声波后的返回信号输出脚，此引脚步在模块上电后输出高电 平，当用户从输入脚发出驱动信号后，如果模块接收到返回超声波，OUT引脚即被拉低，输出低电平； 4、保留引脚用于功能扩展； 五、工作原理 用户通过从IN脚输入40KH的方波信号，即用户从单片机的IO口连续发出高低电平，产生方波，方波的个数一般为10个左右，发出后用户启动定时器，开始计时，此时，超声波发射头开始发出超声波，当发出的超声波被前方的障碍物返射回来，返射回来的超声波被接收探头接收到，此时，模块的OUT引脚会产生一个从高电平到低电平的跳变，此时，用户要停止计时，用户通过计时的时间，根据以下公式计算测量距离： 测量距离= (时间*声速( 340M/S ) ) / 2 六、注意事项 1、超声波发射头向外发射60度角的超声束，因此，在探头与被测物体之间不能有其他障碍物。 2、超声波模块测得的是被测物体与探头之间的垂直距离，测量时要保持探头正对被测物体。 3、超声波测量会受环境风速、温度等的影响。 七、可能出现的问题 1、由于超声波会受到被测物体不平整、反射角度、环境风速温度以及多次反射的影响，可能会带来测量数据误差增大。 2、由于超声波有测量盲区的固有特性，因此，如果近距离测量时，当测量位置发生变化而接收到的数据不变时，说明进入了测量盲区。 3、模块在测量远处物体时，如果没有测量数据返回，可能是超出测量范围，或是测量角