超声波检测的基本原理
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇超声波检测的基本原理范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
超声波检测的基本原理范文第1篇
关键词：桩检测；超声波投射法；低应变法
引言
在桥梁的运行中，基桩是其整个结构中非常重要的组成部分，基桩的质量是否过关直接关系到整个桥梁的结构安全。目前，各工程单位即监理、设计、建设、施工等各方以及各有关部门对桥梁基桩的质量问题给与了高度的关注。同时，桥梁桩基的施工环境复杂，各工序也有其高度的隐蔽性，因此在施工过程极易出现影响基桩质量的缺陷，因此总体来说，相比于上部建筑结构来说，桩基础工程的质量检测、施工等将更为复杂，其对质量产生威胁的隐患也将更多。
质量检测的主要指标便是桩身完整性检测，目前主要采用低应变反射波法和超声波透射法来进行基桩桩身的完整性检测。
1 超声波投射法与低应变法的基本概念
1.1 超声波投射法
在混凝土灌注桩中预埋声测管，在声测管之间对超声波信号进行接收并发射，对桩身完整性的检测就是通过实测的声学参数即超声波在混凝土介质中传播的波幅衰减、频率、PSD、声时等。该方法适用于检测直径不小于800mm的混凝土灌注桩。
超声波及工程检测频率范围如表1所示。
表1 声波及工程检测频率
1.2 低应变法
低应变法的原理是在桩顶激振即采用低能量稳态或瞬态的激振的方式，对桩顶速度时程曲线做出实测值，对该实测值使用一维波动理论进行频域分析或时域分析，来进行桩身完整性的判定。该方法主要是对桩身的缺陷位置以及影响程度进行判定，进而对桩端欠固状况进行判定，因此比较适用于刚性材料桩如预制桩或混凝土灌注桩等。该方法的关键问题是桩底有明显的反射信号。
2 超声波投射法与低应变法的基本理论
2.1 超声波投射法的基本理论
超声波投射法的基本原理是，在混凝土浇筑前预埋声测管，在桩的两侧分别接收和发射超声波信号，超声波信号在电能被发射探头转变为机械能的情况下穿透混凝土桩，被接收到的超声波再将探头转变成电信号。根据超声波在混凝土中的传播时间在测得混凝土厚度的情况下尽可以算出在整个混凝土结构中超声波的传播速度，进而通过算得的声速来对混凝土的质量进行评判。显然，在检测的过程中，声速越大的越充分说明混凝土的质量越好，越密实，相反，对于松散的混凝土，或者是有离析、裂缝、孔洞等缺陷的混凝土，其声速也就会越低。因此，此方法可以科学的检测混凝土桩身的完整性和质量。不难看出，弹性波的波速与介质特性之间的关系既是超声波投射法对桩基质量进行检测的理论基础。对介质特性的变化可以从实测的波幅、声速等参数中推断出来。
声波在混凝土介质中的传播有如下特点：（1）指向性差，其原因主要有：a.低频声波扩散角大，波长长；b.混凝土内部结构复杂，具有大量的异质界面，会造成多个反射波和折射波，其各个波之间相互叠加和干涉，容易造成严重的漫射声能。（2）快速衰减。骨料在混凝土中的分布比较散漫，散射功率与声波频率的平方成正比，采用低频声波来检测可以增大声波在混凝土中的传播距离。（3）声波的构成比较复杂。在混凝土中的任何一点声场所及的范围内，都存在着一次声波及二次声波。一次声波与二次声波便是换能器所接收的信号。（4）传播路径复杂。声波的传播路径因为截面的折射和反射而曲折。当混凝土的内部结构中存在有较大的缺陷时，声波就不沿直线传播而是沿最短时间的路径传播。
2.2 低应变法的基本理论
低应变法的基本原理就是在桩顶进行激振，同时在桩顶接收速度相应信号，对桩顶的加速度或者是速度响应时程曲线测出其实测值，对桩身的完整性分析即利用假设条件下的一维波动理论。在桩顶使用敲击的方法给与适当的能量，但是其承载能力应该远大于其动荷载，使阻止贯入度的产生，即在只有弹性变形的情况下使桩土之间不产生相对位移。低应变法就是通过分析激励波沿桩身反射和传播的波形来检测桩身的安全。但是由于其结果不准确，误差较大且理论依据不足，不可以用来确定极限承载力。低应变法的仪器设备便于携带、检测快、成本低、监测面积大而且物理数学假设完善、理论模型成熟，因此应用广泛，发展迅速。
3 超声波投射法与低应变法的特征分析
在桩基的质量完整性检测中，超声波投射法与低应变法的主要特征以及对比如表2所示。
表2 超声波投射法与低应变法的主要特征分析
在大多数的情况下，超声波法只有一小部分是检测的盲区，一般会得出比较准确可靠结果，出现漏判的情况是少之又少；低应变法的测量结果是对桩身桩基的阻抗的变化情况，它是大体的反应了对于桩身上有缺陷部位的定性，但对于是缺陷的位置或者是怎样的缺陷均不能够做出精确的判断。
4 超声波投射法与低应变法的对比结果的分析
在适用范围上，相比于超声波法，低应变法更有优势。但由于其在检测的过程中存在一定的判断误差而且检测的精确度较低，对所涉及到的仪器设备也比较复杂且繁多，所以在目前桩的检测中相对于超声波投射法其应用范围还相对较低。但在一些特铁路的群桩中，施工进程中并未埋设声测管，所以低应变法便成为其常用的检测桩质量的方法。
此外，对于超声波法来说，它是科学化与信息化相结合的产物，不仅能够有效地提高我国各应用结构中桩的质量检测的效率的目的，同时也能够很好的体现出我国当前的科技水平。同时，该方法还具有新的检测方法，其具有强大的抗干扰能力，无疑该方法便可成为我国桩基检测中的有利方法。
5 结束语
总的来说，不论是超声波投射法还是低应变法都有其在工程运用中的优越性，并且对于我国的建筑行业的发展和施工进展都是不可或缺的。因此，对于我国相关行业的技术人员来说，其应该对超声波投射法与低应变法的技术优越性、技术原理、应用实例、应用特点等有清晰、全面的了解，以便能够高效的运用到桩基的质量安全检测中。不仅使超声波投射法与低应变法这两种检测方法得到发展，同时桩基的相关技术都能得到积极、健康、稳步的发展。
参考文献
超声波检测的基本原理范文第2篇
关键词：vb；动画仿真系统；高职；超声检测
目前，高职课堂教学面临着课程学时减少、难度增大、学生文化基础薄弱、缺乏学习兴趣等困难。如何提高课堂教学质量，创新教学方法，是值得深入研究的重要课题。
超声检测是无损检测方向一门十分重要的课程，需要学生在理论基础与操作能力上有透彻的理解和娴熟的应用。由于超声检测的部分理论知识枯燥艰深，课堂教学难以让学生建立感性认识，不容易激发学生的学习兴趣。若建立实验室平台则耗时、耗材。如果对这些重要知识点借助计算机进行仿真教学，不仅方便经济，还可以通过修改参数、变换模型，让学生随时观察到系统模型各变量变化的全过程。这样就使学生的学习过程由感性到理性，学生将更深刻地理解超声检测技术。可以此为基础，调动学生进行模拟仿真学习的积极性与参与性，逐步实施基于工作过程的自主学习型高技能人才培养模式。
目前，可以实现仿真的软件很多，基于vb来编写教学仿真系统相对而言直观、灵活。下面笔者将以a型脉冲反射式超声波探伤、超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射以及超声纵波声场三个知识点为例，介绍vb在超声检测教学中的仿真应用。
a型脉冲反射式超声波探伤
（一）基本原理
在一定重复频率的同步脉冲信号触发下，发射电路以相同的重复频率产生高频高压脉冲信号，该信号激励换能器以相同的重复频率发射同频率的超声波。WWW.133229.cOM这种超声波传导于工件中，遇到不连续性（包括工件底面）后产生反射，该反射回波被换能器接收并转换为电信号，经接收、放大后传至显示器的垂直偏转板产生垂直偏转。与此同时，在同步信号的触发下，时基电路以相同的重复频率产生时基信号，给显示器的水平偏转板产生时基扫描线。这样，接收信号的波形便显示于示波屏，根据示波屏上显示信号的位置、高度和特征，可判断不连续性的位置、大小和性质。
（二）仿真系统
探伤平台仿真系统涉及信号发送、超声波工件探伤和接收信号显示三大部分，如图1所示。信号发送部分包括同步信号、时基电路和发射信号三个演示框。探伤平台部分用蓝色实体方框表示被测工件，红色实体方框表示换能器（探头），黄色实体方框表示工件内部缺陷，探头接收到激励信号产生超声波，传播到工件内部进行探伤，同时探头经接收电路将微弱的反射信号进行放大处理在显示器部分演示出来，让缺陷回波信号位置随缺陷埋深的变化而变化。演示平台上还设置了频率、幅值等调节参数，通过这些参数的变化，学生可以更深刻地理解超声检测原理。
程序关键部分是超声波激励信号的模拟演示。笔者引用的激励信号为加窗正弦波信号，表达形式为vin（t）=a[h阶梯函数。
部分程序如下：
for i = 0.5 to 8 * pi step pi / 6000
f1（j） = heavi（i * （10 ^ （-6））） - heavi（i * （10 ^ （-6）） - n / （fc * 1000））
f2（j） = 1 - cos（2 * pi * fc * i * （10 ^ （-3）） / n）
f3（j） = sin（2 * pi * fc * i * （10 ^ （-3）））
picture2.drawwidth = 1
picture2.pset （（i * 30 + m * 4 * pi * 80） / frq， amp * 5 * f2（j） * f3（j） * f1（j） * 30 + picture2.height / 2）， vbyellow
j = j + 1
next
… …
（三）教学应用
a型脉冲反射式超声波探伤基本工作原理是较难理解的一个知识点。学生很难把同步信号、时基信号、发射信号等概念以及它们之间的联系掌握清楚。为此，教学可安排在实训室进行，一方面，学生自行演示并操作仿真软件方便理解超声检测设备内部的电路运行情况，另一方面，让学生选择检测系统搭建试验平台，同时在超声探伤仪屏幕上观察检测结果。这样，让学生将软硬件结合，动手操作和学习结合，能极好地调动学生的学习兴趣，使学生深入理解超声探伤基本工作原理，为后续实训操作奠定了基础。
超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射
（一）基本原理
当超声波在某一介质中以入射角倾斜入射到异质界面时，将会在界面处发生反射、折射和波型转换，即产生反射纵波和反射横波以及折射纵波和折射横波。入射角与反射角之间以及入射角与折射角之间符合施耐尔定律。通过该定律还可以延伸出临界角的概念。
（二）仿真系统
如图2所示，演示平台中包括参数设置和声波传播演示两部分。参数设置涉及两种异质材料和入射角的选择，确定好异质材料，右侧的信息栏中将显示出两种介质的纵波速度与横波速度，有助于学生对材料信息的了解。一旦调节入射角，用直线条表示的超声波随即在平台部分显示出来，借助不同颜色区分入射、反射和折射的纵波与横波，线条的粗细用来表示信号能量的强弱。随着入射角的改变，反射波与折射波角度亦随之发生变化，当条件满足，可以清晰掌握折射角达到90°时波形轨迹的变化，这会使学生对第一临界角和第二临界角的理解更加深入。程序编制过程需要注意的是当入射角达到第一临界角时，在介质2中只有横波而无纵波，此时反射纵波能量加强，当入射角达到第二临界角时，在介质2中既没有横波也没有纵波，反射横波沿界面传播。
（三）教学应用
这部分是超声检测的重要知识点。在传统教学中，学生由于不熟悉超声波传播特性，只能死记公式，无法灵活运用，对临界角的概念理解不清。在教学中，可将仿真软件与练习题相结合，教师先介绍仿真软件的使用，随即让学生进行仿真操作，模拟各种光疏到光密物质、光密到光疏物质的超声波传播情况，观察第一、第二临界角的产生条件与时机，同时结合仿真动画理解斯奈尔公式每个参数的含义，再结合练习题进行公式运用，之后将公式计算结果在仿真软件中进行验证，保证了学生全面掌握超声波传播原理与斯奈尔定律。
超声纵波声场
（一）基本原理
超声换能器向介质中辐射超声波的区域称为声场，通常用声压分布与声场的指向性来描绘。该声压在极大值和极小值间起伏变化，最后一个极大值点处与声源的距离称为近场长度，用n表示，n=d2/4λ。声场能量主要分布在以声轴线为中心的一定角度内，这种声束集中向一个方向辐射的性质称为声场的指向性，用指向角或半扩散角?兹表示，?兹=sin-11.22λ/d。近场长度和半扩散角是描述声场的两个关键要素，而它们的值主要取决于检测频率和探头晶片尺寸。
（二）仿真系统
如图3所示，演示平台包括参数设置和声场演示两部分。晶片尺寸和检测频率通过滚动条调节大小，从而表现出对声场的影响。演示部分分别用不同颜色表示被检工件、探头、声场，其中近场区声场不扩散，而进入远场区声束开始扩散。当分别改变晶片尺寸和检测频率大小时，可以清晰看到声场中近场长度与扩散情况的变化。由于晶片尺寸和检测频率同时决定声场，因此在程序中需要用到大量条件嵌套语句。
部分程序如下：
private sub hscroll1_change（）
f = hscroll1.value
'f为晶片尺寸滚动条数值
select case d
'd为检测频率滚动条数值
case 1
select case f
case 1
… …
case 2
… …
end select
end sub
（三）教学应用
晶片尺寸与检测频率对声场与扩散角的影响以及近场的概念是学生必须掌握的重要知识点。知识点的掌握主要还是对公式的理解与记忆。学生通过设置仿真参数，模拟各种声场扩散情况，将仿真动画结果与公式实例分析互相验证，不仅能对各参数的含义有更深入的理解，同时将公式运用到实例能真正实现对声场全面的理解。
本文介绍的基于vb实现的教学仿真已经很好地应用于超声检测课程教学，促进了课堂互动，极大地改善了教学效果，强化了学生对知识理解，得到了一致好评，值得教学一线的教师尝试和持续改进。目前，该超声检测课程已成功申报检测技术及应用专业自主学习型高级能人才培养模式实践研究教育教学研究项目，并已获批深圳职业技术学院校级精品课程。
参考文献：
[1]李立宗.vb程序设计教程[m].天津：南开大学出版社，2009.
[2]李淑华.vb程序设计及应用[m].北京：高等教育出版社，2004.
[3]x lin，f g yuan.diagnostic lamb waves in an integrated piezoelectric sensor/actuator plate: analytical and experimental studies[j].smart mater.struct，2011，（10）:907-913.
[4]史亦韦.超声检测[m].北京“机械工业出版社，2005.
超声波检测的基本原理范文第3篇
Abstract: The sound wave transmission method is recognized as one of the most reliable methods in the detection of the large-diameter concrete piles. This method can accurately determine various types of defects in the concrete piles. This paper describes the fundamental principle of the sound wave transmission method and various problems that need attention in the detection process. This paper also brings forward several characteristics of acoustic parameters when the piles were detected with defects based on the in situ test.
关键词：声波透射法；完整性检测；混凝土灌注桩
Key words: sound wave transmission method；integrity testing；concrete piles
中图分类号：TU37 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）28-0109-02
0引言
大直径混凝土桩的施工过程中，容易产生离析、局部夹层、断桩、缩颈等桩身缺陷。尤其水下灌注混凝土的技术复杂，作业要求紧密连贯，成桩过程具有隐蔽性，成桩后较难检查。如不通过检测，将会削弱基桩的力学性能和耐久性，给工程质量留下隐患。目前，基桩完整性的检测手段，主要有钻芯法、低应变法、高应变法和声波透射法等。但是对于长桩、大直径桩或深部缺陷桩的检测具有一定的局限性。如低应变法因激振能量小，对深部缺陷及桩底反射不灵敏；桩身存在多处缺陷时，由于多个反射波相互干扰，形成复杂波列，故对桩身缺陷的类型、程度及位置都难以做出准确的判断。钻芯法钻孔有限，只能反映桩身局部缺陷，对于小缺陷有时难以发现，且费时费力，对桩身结构存在损害，不利于普查。大直径混凝土灌注桩的检测宜采用声波透射法。与其他几种方法比较，声波透射法有其鲜明的特点：检测全面、细致，声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面，信息量丰富，结果准确可靠，且现场操作简便，不受桩长、长径比的限制[1]。
1声波透射法的基本原理及检测技术
1.1 声波透射法检测混凝土灌注桩的基本原理在被测桩内预埋若干根竖向相互平行的声测管作为换能器的通道，管内注满清水作为耦合剂，将超声波脉冲发射换能器与接收换能器置于声测管中。每两根声测管为一组，通过水的耦合，超声脉冲信号从一根声测管的换能器发射出去，穿过待测的桩体混凝土，并经另一根声测管的接收换能器被仪器接收，判读出超声波穿过混凝土的声时、声速、接收波首波的波幅以及接收波主频变化等参数。混凝土是由多种材料组成的非匀质多孔结构，当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波到达该界面时，产生波的透射和反射，使接收到透射波能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射；根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率编号及波形畸变程度等特征，可以获得测区范围内混凝土的密实度参数。
1.2 检测方法及检测过程中应注意的问题 声波透射法测桩常用的检测方法有跨孔透射法和单孔折射法。我公司使用的仪器是武汉岩海公司的RS-STO1D（P）型非金属超声波检测仪，采用跨孔透射法进行桩身完整性检测。
声波透射法在检测大直径灌注基桩中，应对各个环节严加注意，稍有疏忽，都会对检测的结果造成严重影响，甚至形成错判。因此，在检测应严格按照规定程序进行。
1.2.1 检测前应对声测管进行试探性检查 声波检测管通常埋设在桩基中，稍不注意都会在声测管中夹有异物，这将影响检测探头放到桩底，而且很容易导致探头夹在管中，无法提起来，造成不必要的损失。因此，要求声测管埋设完成后必须加盖以防异物落下。检测前取下盖子，灌满清水，用测试绳通到管底，检查声测管是否畅通。
1.2.2 声测管的耦合剂必须采用清水 规范中明确规定声波透射法检测中的耦合剂为清水[2]，但在一些工程实例中由于附近清水取用比较困难，在声测管中灌入泥水或污水，静置一段时间以后，泥水发生沉淀使探头无法下到管底，污水则会影响超声波的传送与接收[3]。遇见这种情况我们采用的方法是：使用硬质PVC管插入声测管底部，将管底部的污水通过高压水泵的压力冲出，直到有清水翻出。
1.2.3 检测时提升探头要同步 声波透射法检测大直径混凝土灌注桩中，常采用水平同步法，测点间距不宜大于250mm。发射与接收换能器应以相同标高同步升降，其累计相对高差不应大于20mm，并随时校正。为了使两个换能器同步升降，在检测中需要有经验的工人进行配合，发射与接收换能器的相对高差超过规定值后，主机将无法接收到信号。
2 工程实例分析
我公司使用的仪器是武汉岩海公司生产的RS-STO1D（P）非金属超声波检测仪。检测过程中，当有2根以上声测管时，将声测管按顺时针旋转方向进行编号和分组，防止记录有错，并依次放入一对换能器。根据声测管间距调整合适的延时时间，使得采集到的首波在仪器屏幕合适的位置。采用一发一收平测，测点间距为250mm，从桩底至桩顶逐点检测出声时、声速、波幅以及主频等声学参数，根据声学参数来判定桩的质量。
2.1 完整桩 某市政桥梁工程4号墩的5号桩，桩径为1200mm，桩长10m。该桩3个剖面的声时-深度、波幅-深度、声速-深度曲线近似一条直线，各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常，分析结果4-5#桩为Ⅰ类桩。其中图1为BC剖面的波形曲线。
2.2 缺陷桩
2.2.1 桩身局部夹层 某高速公路桥梁工程0号墩2号桩，桩长9.0m，桩径为1200mm。在检测过程中发现，BC剖面在均桩顶7.14～7.64m范围内声学参数出现异常。经对其加密检测，在同一位置处声速降低，波幅出现陡降。经钻孔取芯以及灌注技术人员证实，BC剖面在7.14～7.64m范围内存在泥水混合物。其中图2为BC剖面的波形曲线。
2.2.2 桩底离析 桩底沉渣声波曲线特征见图3。图3为某市高速公路大桥扩建基桩3号墩3号桩的AB剖面超声波检测波形曲线。该桩检测长度8.8m。在8.1～8.8m范围内声速曲线陡降，超过了波速临界值，波幅曲线衰减较快，可推断出桩底部松散离析。经施工单位证实清孔不干净，沉渣较厚，引起混凝土松散离析现象。
2.2.3 断桩 断桩是桩基缺陷最严重的情况。其断桩部位的声时陡增，声速陡降，波幅严重衰减，甚至衰减100%，即无波形或者接收换能器无接收信号出现。图4为某高速公路基桩1号墩2号桩的声波透射法检测图，该桩检测长度为25.3m，AB、BC、AC剖面在16.16～19.76m范围内声速陡降，波幅衰减100%，接收换能器无接收信号出现，可判断为断桩。经施工技术人员证实当天灌注混凝土时等待时间过长使混凝土离析，又没有进行二次搅拌，灌注时大量骨料卡在导管内，不得不提出导管进行清理，引起断桩。
3 结语
3.1 采用声波透射法进行大直径混凝土灌注桩桩身完整性的检测，可对桩身全长范围内的混凝土缺陷、均匀性进行检测，且不受桩径桩长的限制，对现场条件要求不高，相对其他方法具有独特优势。
3.2 声波透射法检测桩基质量时，有时会受到客观因素的影响，导致轻判、误判、错判，要求施工技术人员和检测人员在声测管埋设和声测管检测时要严密注意各个环节，以免造成不必要的损失。
3.3 声波透射法检测中若发现异常情况，可根据各种实测曲线的变化规律，结合工程地质资料、施工情况，并采用加密测点或斜测的方法，综合判断缺陷性质和成都，使检测结果更接近实际，避免误判。
参考文献：
[1]陈凡，徐天平，陈久照等.基桩质量检测技术[M].北京：建筑工业出版社，2003。
超声波检测的基本原理范文第4篇
关键词：脱气器 最佳液面 自动控制
一、前言
气测录井是综合录井的重要方面，它主要是通过测定钻井液中烃类气体的成分和含量，来了解地层含油气情况的一种直接测井方法。当钻开油气层时，油气层中的烃类气体和液体，由于渗透和扩散作用进入井内钻井液，随着钻井液的循环被带到地面钻井液缓冲罐，在缓冲罐安装脱气器，用脱气器将钻井液中的气体脱出，再由真空泵将气体送入仪器进行分析测定。
脱气器的安装条件和脱气效率是影响气测资料准确性的重要方面。常用的电动式脱气器有一个最佳的钻井液液面位置，处于这个位置上，脱气器可以获得相对稳定的性能。
二、设计的整体思路
系统结构如图1所示。液面检测模块利用超声波反射原理检测液面的变化，执行模块主体采用小型的电动机，通过单片机控制其正反转，并通过合适的机械传动装置来达到提升、降低脱气器的目的。单片机电路是整个设计的控制核心，它既控制着超声波液面检测模块和执行模块的电机正反转，又作为系统的比较元件，同时又可以输出液面数据和发出报警信号。
图1系统结构示意图
三、系统的硬件电路设计
系统的硬件电路采用模块化设计，包括液面检测模块、执行模块及单片机控制电路等三部分。
1.液面检测模块的设计
超声波发射模块设计。超声波发射电路如图2所示。超声波由时基电路NE555产生，其频率的计算公式为：
f=1.44/[（R1+2*R2）*C]
此频率应该调整到与超声波发射探头的固有频率一致，这样才能产生最强的超声波信号输出，并且使R1与R2阻值之比不大于1：10，以使输出的波形更接近方波。NE555的复位端由单片机的“发射超声波控制脉冲” 控制。
用MSP430F149单片机的P1.0端控制NE555的复位端，使NE555发射出超声波，发射完一串就向计数器送出一个脉冲，触发启动计数；然后P1.0端输出高电平信号使NE555复位，停止发射超声波，再进行反射接收、运算处理。整个过程就是NE555发射出一串串断续的超声波信号，然后接收由单片机处理的无限循环。
图2 超声波发射电路
超声波接收电路设计。接收探头接收到反射的超声波信号后，感应出交流电信号，经过集成运放LM324构成的两级交流信号放大器放大，再由二极管整流、滤波处理形成直流电压信号，其电路原理如图3所示。
图3 超声波接收电路
3.2 执行模块的设计
执行模块的电路如图4所示，主电路为三相异步电动机的正反转接线，在其控制电路中，用光电耦合器件代替传统的按钮。
图4 执行模块的电机正反转电路
当检测到液面过高时，单片机P1.4端输出高电平，经光耦器件使KM1线圈通电，KM1主触头和自锁触头闭合，电动机正转，脱气器上升，这样液面相对下降。直到检测到液面处于合适的位置，单片机P1.4端输出低电平，KM1断电触头打开，电动机停止转动，脱气器停止上升。
当检测到液面过低时，单片机P1.5端输出高电平，经光耦器件使KM2线圈通电，KM2主触头和自锁触头闭合，由于电源相序反接电动机反转，脱气器下降，这样液面相对上升。直到检测到液面处于合适的位置，单片机P1.5端输出低电平，KM2断电触头打开，电动机停止转动，脱气器停止下降。
四、系统的软件设计
在液面检测模块，单片机向超声波发射电路发射脉冲信号，使其输出一定时间的超声波，同时启动计数器。当接收到反射波时，停止计数，计算时间及液面高度，并且将数据发往上位机、判断是否报警。然后转入执行模块的控制，此自动控制系统的比较元件，实际上是程序中的比较计算。程序根据设定的情况控制脱气器的相应的动作，使其处于最佳的位置。
五、结论
本文利用自动控制的基本原理设计了一种脱气器最佳液面的智能控制装置，设计了该装置的检测反馈模块、执行模块等主要硬件电路，并画出了系统的软件流程图，分析了系统的可行性。
参考文献：
[1] 杜鹃.测量仪表与自动化.东营：中国石油大学出版社，2002：50～55.
[2] 姚若河，张朝基.超声波反射式液位计.广西物理，2000，24（4）：24～28.
超声波检测的基本原理范文第5篇
关键词： 超声波传感器 原理 应用
1.引言
随着自动化等新技术的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量，等等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。
20世纪中叶，人们发现某些介质的晶体（如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等）在高电压窄脉冲作用下，能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同，可以被聚焦，能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗；在检测方面，利用超声波有类似于光波的折射、反射的特性，制作超声波纳探测器，可以用于探测海底沉船、敌方潜艇，等等。
现在超声波已经渗透到我们生活中的许多领域，例如B超、遥控、防盗、无损探伤，等等。
2.超声波的概念
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20Hz―20kHz范围内，称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波；高于20kHz的机械振动称为超声波，常用的超声波频率为几十kHz至几十MHz。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）和纵向振荡（纵波）。工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低，一般为几十kHz，但衰减较快；在固体、液体中传播频率较高，但衰减较小，传播较远。
3.超声波的特点
超声波的指向性好，不易发散，能量集中，因此穿透本领大，在穿透几米厚的钢板后，能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射、折射特性就越接近。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超声波测量仪器及装置，并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。
4.超声波传感器的原理
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。
5.超声波探头
超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同，换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头，等等。本文以固体传导介质为例，简要介绍以下三种探头。
（1）单晶直探头。俗称直探头，其压电晶片采用PZT压电陶瓷制作。发射超声波时，将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出一束频率落在超声波范围内、持续时间很短的超声振动波，垂直投射到试件内。假设该试件为钢板，而其底面与空气交界，到达钢板底部的超声波绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。再利用压电效应，晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。
（2）双晶直探头。由两个单晶探头组合而成，装配在同一个壳体内，其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。
（3）斜探头。有时为使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探头。压电晶片粘贴在与底面成一定角度的有机玻璃斜楔块上。当斜楔块与不同材料被测介质接触时，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。
6.超声波传感器的应用
超声波传感器应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害，方法简便，显像清晰，诊断的准确率高，等等，因而受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断是利用超声波的反射原理，当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感器的出现改变了这种状况。超声波探测既可检测材料表面的缺陷，又可检测材料内部几米深的缺陷。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。
超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有许多其他方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰、酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量。
7.结语
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如反射问题、噪音问题、交叉问题，等等。本文简要介绍了超声波的概念、特点，分析了超声波传感器的原理，并给出了超声波传感器的几种典型应用，对今后对超声波传感器的进一步学习和研究有一定的参考价值和实用价值。
参考文献：
［1］梁森，黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社，2007.
［2］吴旗.传感器及应用.高等教育出版社，2002，（3）.
［3］俞志根，李天真，童炳金.自动检测技术实训教程.清华大学出版社.
