超声波传感器选型要点与典型的应用举例（最终定稿）

第一篇：超声波传感器选型要点与典型的应用举例

超声波传感器的基本原则

超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离，比较具有代表性的，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。例如：超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、空的或者是部分满的。

超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体，或者需要快速响应或者在潮湿环境中应用时，这种对射示或者叫分离式的超声波传感器就非常适用。在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙和有光泽的，半透明材料的物体表面，和检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。超声波传感器不适用的情况有：户外，极热的环境，有压力的容器内，同样不能检测有泡沫的物体。

超声波传感器选型要点：

范围和尺寸:被检测的物体的尺寸大小会影响超声波传感器的最大有效范围，传感器必须探测到一定级别的声波才能被激励输出信号hwgy.lightjh.com,一个较大的物体可以将大部分声波反射给传感器，所以传感器可以在它的最大限度内对此物体进行感应,而一个小物体只能反射很少的声波，这样就明显地减小了感应的范围。

被测物:能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型、平坦、高密度的物体，垂直放置面对着传感器感应面。最难检测的是那些面积非常小,或者是可以吸收声波的材料制作的，比如泡沫塑料,或者是角面对着传感器的。一些比较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教,再对放在传感器和背景之间的物体作出反应。

用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器，如果液体的表面非常不平整，那么传感器的响应时间要调的更长一些，它会将这些变化做个平均,可以比较固定的读取。

在Retrosonic模式下使用超声波传感器，使得探测不规则物体也成为可能，在retrosonic模式下,超声波传感器可以先探测一个平整的背景,如一面墙，当任何物体通过传感器和墙之间的时候，就会阻碍声波,传感器感应到了中断，便会意识到出现了物体。

振动:无论是传感器本身还是周围机械的振动，都会影响距离测量的精确度，这时可以考虑采取一些减震措施，例如：用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座,可以减少振动，用固定杆也可以消除或者最大程度的减少振动。

衰减:当周围环境温度缓慢变化的时候，有温度补偿的超声波传感器可以做出调整，但是如果温度变化过快，传感器将无法做出调整。

误判:声波可能会被附近的一些物体反射，比如导轨或者固定夹具，为了确保检测的可靠性，必须减少或者排除周围物体对声波反射的影响,为了避免对周围物体的错误检测，许多超声波传感器都有一个LED指示器来引到操作人员进行安装，来确保这个传感器被正确的装好，减少出错的风险。

超声波传感器的典型应用举例

超声波传感器曾经被认为操作太过困难或者过于昂贵，但随着成本的降低和方便的运用,越来越多的机械设计师在设计机器时已经将超声波传感器融入进去。超声波传感器的工业应用领域包括探测填充状况，探测反光物体和物质,控制环绳的膨胀和测量距离，

第二篇：传感器原理与应用复习要点

第一章 传感器的一般特性

1.传感器技术的三要素。传感器由哪3部分组成？ 2.传感器的静态特性有哪些指标？并理解其意义。3.画出传感器的组成方框图，理解各部分的作用。

4.什么是传感器的精度等级？一个0.5级电压表的测量范围是

0~100V，那么该仪表的最大绝对误差为多少伏？

5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些？灵敏度、非线性度？

第二章应变式传感器

6.应变片有那些种类？金属丝式、金属箔式、半导体式。7.什么是压阻效应？

8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。应变片

桥式传感器为什么应配差动放器？

9.掌握电子称的基本原理框图，以及各部分的作用。

10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应？ 11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。第三章电容式传感器

12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种？

13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响？解决电缆电容

影响的方法有那些？

14.什么是电容电场的边缘效应？理解等位环的工作原理。15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。第四章电感式传感器

16.了解差动变压器的用途及特点。

17.差动变压器的零点残余电压产生的原因？ 第五章压电式传感器

18.什么是压电效应？什么是逆压电效应？常用压电材料有哪些？ 19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号？为什么？

20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种？理解电压放大

器、电荷放大器的作用。第六章数字式传感器

21.光栅传感器的原理。采用什么技术可测量小于栅距的位移量？ 22.振弦式传感器的工作原理。第七章热电式传感器

23.热电偶的热电势由那几部分组成？ 24.热电偶的三定律的理解。25.掌握热电偶的热电效应。

26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点？

28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原

理。

29.集成温度传感器AD590的主要特点。

30.数字式集成温度传感器DS18B20的主要特点。第八章固态传感器 31.霍尔效应

32.霍尔集成传感器——线性、开关两类内部构成。33.探测微弱光应采用何种传感器？

34.什么是光电效应，什么是光电导效应和光生伏特效应？

35.什么是内/外光电效应？利用此效应制作的典型传感器有那些？ 36.为什么光电池作光照度测量时要采用短路输出形式？ 37.硅光电池的最大开路电压是多少？

38.硅光电池的光电转换效率理论最大值和实际值？ 39.在电路中使用光敏二极管怎样偏置？ 40.光电隔离耦合器的内部结构是怎样的？

41.气敏传感器的原理，掌握可燃气体报警电路工作原理。

42.用电阻式湿度传感器测量湿度时，所加的激励电源为什么应为交

流电源？。

43.用光敏传感器设计一个自动开关路灯的控制电路。第九章光纤式传感器

44.光纤传感器的特点有哪些？ 45.光纤传感器的分类？ 第十章传感器的标定

46.什么是传感器的标定？何情况下需要标定？

第一章 传感器的一般特性

1.传感器技术的三要素。传感器由哪3部分组成？ 2.传感器的静态特性有哪些？并理解其意义。3.画出传感器的组成方框图，理解各部分的作用。

4.什么是传感器的精度等级？一个0.5级电压表的测量范围是0~100V，那么该仪表的最大绝对误差为多少伏？

5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些？灵敏度、非线性度？

第二章应变式传感器

6.应变片有那些种类？金属丝式、金属箔式、半导体式。7.什么是压阻效应？

8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。应变片桥式传感器为什么应配差动放器？

9.掌握电子称的基本原理框图，以及各部分的作用。

10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应？ 11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。第三章电容式传感器

12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种？

13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响？解决电缆电容影响的方法有那些？

14.什么是电容电场的边缘效应？理解等位环的工作原理。15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。第四章电感式传感器

16.了解差动变压器的用途及特点。

17.差动变压器的零点残余电压产生的原因？ 第五章压电式传感器

18.什么是压电效应？什么是逆压电效应？常用压电材料有哪些？ 19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号？为什么？

20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种？理解电压放大器、电荷放大器的作用。第六章数字式传感器

21.光栅传感器的原理。采用什么技术可测量小于栅距的位移量？ 22.振弦式传感器的工作原理。第七章热电式传感器

23.热电偶的热电势由那几部分组成？ 24.热电偶的三定律的理解。25.掌握热电偶的热电效应。

26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点？

28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原理。

29.集成温度传感器AD590的主要特点。

30.数字式集成温度传感器DS18B20的主要特点。第八章固态传感器 31.霍尔效应

32.霍尔集成传感器——线性、开关两类内部构成。33.探测微弱光应采用何种传感器？

34.什么是光电效应，什么是光电导效应和光生伏特效应？

35.什么是内/外光电效应？利用此效应制作的典型传感器有那些？ 36.为什么光电池作光照度测量时要采用短路输出形式？ 37.硅光电池的最大开路电压是多少？

38.硅光电池的光电转换效率理论最大值和实际值？ 39.在电路中使用光敏二极管怎样偏置？ 40.光电隔离耦合器的内部结构是怎样的？

41.气敏传感器的原理，掌握可燃气体报警电路工作原理。42.用电阻式湿度传感器测量湿度时，所加的激励电源为什么应为交流电源？。

43.用光敏传感器设计一个自动开关路灯的控制电路。第九章光纤式传感器

44.光纤传感器的特点有哪些？ 45.光纤传感器的分类？ 第十章传感器的标定

46.什么是传感器的标定？何情况下需要标定？

第三篇：传感器原理与应用

传感器原理与应用（专业限选课）

Principle and Application of Sensor

【课程编号】XZ260111

【学分数】2

【学时数】24+6+9（实验课时）【课程类别】专业限选 【编写日期】2010.3.30 【先修课程】电路分析、模电、数电

【适用专业】电子信息工程类

一、教学目的、任务

《传感器原理和应用》是电子及自动化专业的一门专业课。它有较强的实际应用价值。通过学习本课程使学生掌握各类传感器的基本原理、主要性能及其结构特点；能合理地选择和使用传感器； 掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法；了解传感器的发展动向。

二、课程教学的基本要求

现代信息产业的三大支柱是传感器技术﹑通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。在机械工程中,传感器对于机械电子、测量、控制、计量等领域都是必不可少的获取信息的关键部件。

鉴于上述认识并考虑学科特色,在本课程有限学时内,要求学生重点掌握下列几方面的知识：⑴传感器的基本概念﹑术语和特性；⑵常用传感器的原理、结构和应用；⑶传感器测量电路；⑷传感器的典型应用。

三、教学内容和学时分配

第1章 传感与检测技术的理论基础自学

主要内容：

1.1测量概论

1.2测量数据的估计和处理

教学要求：

了解测量的基本概念，测量系统的特性，测量误差及数据处理的各种方法。

第2章 传感器概述2学时

2.1传感器的组成与分类

2.2传感器的基本特性

教学要求：

熟悉传感器的输出--输入特性与内部结构参数有关的外部特性，掌握其静态特性，动态特性的分析方法。

第3章 应变式传感器4学时

主要内容：

3.1 工作原理

3.2 应变片的种类、材料及粘贴

3.3 电阻应变片的特性

3.4 电阻应变片的测量电路

3.5 应变式传感器的应用

教学要求：

熟悉应变片传感器的工作原理及外部特性，了解其应用范围，掌握测量电路的分析方法。其它教学环节：实验一应变片性能测试实验3学时

实验性质：验证性实验

实验内容：金属箔式应变片性能——单臂电桥、半桥和全桥。

实验目的与要求：掌握使用金属箔式应变片组成单臂电桥、半桥和全桥的方法，了解在不同电路

形式时电路的输出特性。

注意要点：确保接线正确，电源电压不能用错。

第4章 电感式传感器3 学时

主要内容：

4.1自感式电感传感器

4.2差动变压器式传感器

4.3电涡流式传感器

教学要求：

了解电感式传感器的应用范围，工作特点，掌握其组成的各种测量电路的分析方法及组成特点。其它教学环节：实验二电涡流式传感器的静态位移性能3学时

实验性质：设计性实验

实验内容：电涡流式传感器的工作原理和工作情况，动手自制一个涡流探头，利用实验室放大器

及振荡器对不同被测材料（即混料）进行分选。

实验目的与要求：研究电涡流传感器特性，被测材料（物质）对传感器的特性的影响以及电涡流

传感器的应用。

注意要点：确保接线正确，激励、响应线圈不能用错。

第5章电容式传感器3 学时

主要内容：

5.1电容式传感器的工作原理和结构

5.2电容式传感器的灵敏度及非线性

5.3电容式传感器的等效电路

5.4电容式传感器的测量电路

5.5电容式传感器的应用

教学要求：

熟悉电容式传感器的工作原理及结构，掌握其在非电量测量与自动检测中的应用。

其它教学环节：实验三 变面积式电容传感器的性能1学时

实验性质：验证性实验

实验内容：变面积式电容传感器的工作原理和工作情况。

实验目的与要求：熟悉变面积式电容传感器的工作原理和工作情况；研究差动式电容传感器特性。注意要点：确保接线正确，电源电压不能用错。

第6章 压电式传感器3 学时

主要内容：

6.1压电效应及压电材料

6.2 压电式传感器测量电路

6.3 压电式传感器的应用

教学要求：

了解压电式传感器具有的特点及其应用范围，掌握其组成的测量电路分析及应用。

第7章 磁电式传感器4学时

主要内容：

7.1磁电感应式传感器

7.2 霍尔式传感器

教学要求：

掌握磁电式传感器的各种不同类型及应用范围。

其它教学环节：实验四 霍尔传感器特性研究及应用2学时

实验性质：验证性实验

实验内容：霍尔传感器在交、直流信号激励下的特性。

实验目的与要求：了解霍尔传感器的结构和工作原理；实验研究霍尔传感器在交、直流信号激励

下的特性；掌握霍尔传感器测量振幅和称重应用的实验方法。

注意要点：确保接线正确，电源电压不能超出规定值。

第8章 光电式传感器3 学时

主要内容：

8.1光电器件

8.2光纤传感器

教学要求：

熟悉典型的光电器件的特性和应用，了解光纤传感器及其技术发展方向，掌握红外传感器的应用。

第9章 半导体传感器2学时

主要内容：

9.1半导体气敏传感器

9.2湿敏传感器

9.3色敏传感器

9.4半导体式传感器的应用

教学要求：

了解以半导体材料组成的各种传感器及其它们的工作原理，掌握气敏、湿敏、色敏传感器在测量电路中的应用及其电路分析。

第10章 超声波传感器2学时

主要内容：

10.1超声波及其物理性质

10.2超声波传感器

10.3超声波传感器应用用

教学要求：

熟悉超声波传感器的工作原理及其物理性质，掌握超声波传感器的应用。

第11章 微波传感器1学时

主要内容：

11.1微波概述

11.2微波传感器的原理和组成11．3微波传感器的应用

教学要求：

了解压电式传感器具有的特点及其应用范围，掌握其组成的测量电路分析及应用。

第12章 辐射式传感器1 学时

主要内容：

12.1红外传感器

12.2核辐射传感器

教学要求：

了解辐射式传感器的特性及应用。

第13章 数字式传感器自学

主要内容：

13.1光栅传感器

13.2编码器

13.3感应同步器

教学要求：

了解数字式传感器的特点及应用。

第14章 智能式传感器自学

主要内容：

14.1概述

14.2传感器的智能化

14.3集成智能传感器

教学要求：

了解集成智能感器的特性及应用。

第15章 传感器在工程检测中的应用4学时

主要内容：

15.1温度测量

15.2压力测量

15.3流量测量

15.4物位测量

教学要求：

了解热电偶的结构和原理、热电效应的构成成份。掌握热电偶的基本定律、冷端补偿方法、测量计算方法。了解热电阻的工作原理、结构，掌握应用方法。了解传感器在工程检测中的作用及其应用。

四、教学重点、难点及教学方法

重点：各种常见的、应用广泛的传感器的基本原理、基本特性、转换电路以及工程应用，及分析、设计方法。以课堂讲授为主，通过实验加深对所学各类传感器的性能及工作原理理解。

难点：各种传感器的特性分析。

五、考核方式及成绩评定方式：

考核方式：考查，六、教材及参考书目

推荐教材：

《传感器原理及工程应用》（第三版），郁有文等编著，西安科技大学出版社，2008年参考书：

1．王化祥，《传感器原理与应用》，天津大学出版社，第七版，2003

3．刘君华，《智能传感器系统》，西安电子科技大学出版社，第一版，1999

4．单成祥，《传感器的理论与设计基础及其应用》，国防工业出版社，1999

4．赵负图，《现代传感器集成电路》，人民邮电出版社，2000

修（制）订人：审核人：

2010年 3 月30日

第四篇：超声波传感器在铁路钢轨探伤中的应用

超声波传感器在铁路钢轨探伤中的应用

（上海动化学院测仪器 上海200072）

摘要： 无损检测(Nondestructive test，NDT)是指不破坏和损伤受检物体，对其性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。无损检测技术是提高产品质量，促进技术进步不可缺少的手段，特别随着新材料、新技术的广泛应用，各种结构零件向高参量、大容量方向发展，不仅要提高缺陷检测的准确率和可靠性，而且要把传统的无损检测技术和现代信息技术相结合，实现无损检测的数字化、图像化、实时化、智能化。

关键词：无损检测；超声波；精度

The application of Ultrasonic sensors in the railway rail flaw

detection(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract:NDT(Nondestructive test)is a kind of detection technology which test detection without damaging component.Nondestructive testing technology improves the product quality and is the indispensable means to promote technological progress.Especially with the wide application of new materials and new technology, the parts of various structure develop in the direction of high parameter, large capacity.We shall not only improve the accuracy and reliability of defects detection, but also improve the traditional nondestructive testing technology with modern information technology, to realize the combination of digitalization, visualization, real-time, and intellectualization of nondestructive testing.Key words: Ultrasonic;flaw detection;accuracy

1.引言

工业上常用的无损检测方法有五种：超声检测(UT)、射线探伤(RT)、渗透探查(PT)、磁粉检测(MT)和涡流检测(ET)。其中超声检测是利用超声波的透射和反射进行检测的。超声波可以穿透无线电波、光波无法穿过的物体，同时又能在两种特性阻抗不同的物质交界面上反射，当物体内部存在不均匀性时，会使超声波衰减改变，从而可区分物体内部的缺陷。因此，在超声检测中，发射器发射超声波的目的是超声波在物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并显示出内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。

超声检测作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广等根本性的优点外，而且其输出信号是以波形的方式体现。使得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别和人工智能等高新技术能被方便地应用于检测过程，从而提高检测的精确度和可靠性。

超声波无损探伤(NDI)是超声无损检测的一种发展与应用，其设备有：超声探伤仪、探头、藕合剂及标准试块等。其用途是检测铸件缩孔、气泡、焊接裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度测定。

超声无损检测在最近几十年中得到了较大的进展,它已成为材料或结构的无损检测中常用的手段。由于超声检测可以在线进行、超声波对人体无害又不改变系统的运行状态，因此，在材料或结构的无损检测中得到了广泛的应用。2.超声探伤原理

超声探伤是无损检测的主要方法之一。它能非破坏性地探测材料性质及内部和表面缺陷(如裂纹、气泡、夹渣等)的大小、形成和分布情况，具有灵敏度高、穿透力强、检测速度快和设备简单、成本低等一系列特点。2.1 基本原理

超声波探伤具有反射和透射两种方法。其中反射方法精确度较高。图1 是脉冲回波探伤仪原理图。脉冲发射器通过探头将超声波短脉冲送入试件，当回波从试件的缺陷或边界返回时，通过信号处理系统，在示波器上加以显示，并将其幅度和传播时间显示出来。如果已知试件中的声速，则根据示波器上的读数所获得的脉冲间的传输时间即可获得缺陷的深度。

图1 脉冲回波探伤仪原理图

2.2 探伤分类

超声探伤方法很多，可以按不同的方式进行分类。

现将几种常用的分类方法介绍如下。

(1)按原理分类

按探伤原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等。

(2)按耦合方式分类

按耦合方式分类如图2 所示。

图2 按耦合方式探伤分类图

(3)按探伤显示方法分类

按探伤显示方法分类可分为A 型显示，B 型显示与C 型显示。其中A 型显示只显示缺陷的深度： B 型显示探伤仪，可显示工件内部缺陷的横断面形状，此时示波器横坐标代表探头在工件面上的位置，纵坐标代表缺陷的深度。探头沿工件移动与示波管扫描线的水平移动是同步的，为使图象保留在荧光屏上，应选用长余辉示波管，且探头移动速度不能太快： C 型显示探伤仪,可以显示工件内部缺陷的平面图形。

(4)按智能方式分类

上述探伤方法如由人工操作，则为人工探伤。如使试样或探头移动，在它的移动中利用超声波自动地检测缺陷并予以显示或指示(喷色)的方式，称为超声自动探伤。自动探伤要有探伤仪(带闸门装置)，显示装置，探头及其夹持机构。根据探头设置方式的不同还可大致分为如下几种探伤方式：直接接触方式，此方式只用在探伤速度不高且表面光滑的场合，如轨道、无缝钢管和轴等： 局部水浸方式是超声探伤中最适用的方式，还可细分为其他方式，但原理是同样的： 全水浸方式用于工件的某部分(如粘结层)或管类的精密探伤，当水槽机构设计成可以进行自动探伤的情况下，除去工件的装卸以外，探伤可以全部自动化，如果工件加工精度高，而且水槽内架设的探头夹持机构、移动架的精度也高，则探伤的精度也高。

3.超声探伤技术在无损检测中的应用

3.1机车检测方面的应用

3.1.1在高速钢轨检测中的应用

我国铁路运营线路近七万公里，而且铁路正在向高速、重载的方向发展。超期服役的钢轨数量很大，线路上的钢轨在承担繁重的运输任务过程中，不免要产生各种肉眼能看见及看不见的损伤如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀、核伤、水平裂纹、垂直裂纹、周边裂纹等。

如图3 所示，当被检钢轨内部有一个裂纹缺陷(或其他缺陷)，将超声波探头放在被检钢轨的某一表面部位(该面称作探伤面、检测面)，探头向被检钢轨发射超声波信号，超声波穿过界面进入被检钢轨内部，在遇到缺陷和两介质的界面时都会有反射，反射信号被探头接收后，通过探伤仪内部的电路转换，就可以把缺陷信号和底波信号形象地显示出来，如图4 所示。根据超声波的声程推算，就可以轻易地将缺陷信号和底波信号区分开，然后通过超声波试块进行定标，就可以实现对钢轨缺陷的定位和定量。

图3 超声探伤示意图

3.1.2在车轮缺陷检测中的应用

轮对是车辆走行部中最重要的部件之一，对轨道车辆轮对的检测并准确地判断其缺陷位置一直是铁道运输部门非常重视的问题。该系统采用电磁超声探伤技术，实现轮对踏面的缺陷检测，包括：踏面剥离及剥离前期检测： 踏面表面及近表面裂纹检测。

图4 超声波探伤仪显示缺陷示意图

电磁超声探伤系统利用超声表面波的脉冲反射原理进行缺陷检测。当轮对沿钢轨运行到探头位置，轮对踏面接触探头的瞬间，EMAT(电磁超声探伤技术)在车轮踏面表面及近表面激发出电磁超声表面波脉冲，超声表面波将沿踏面表面及近表面圆周以很小的损耗传播。如图5 所示，超声表面波在踏面双向传播(顺时针和逆时针)，沿车轮表面及近表面传播1 周后回到探头位置，EMAT 探头检测到返回的超声表面波后形成第1 次周期回波(图5 中RT 波)： 未衰减的超声波继续沿踏面传播，依次形成第2 次、第3 次周期回波，,直到能量衰减到设备无法检测为止。

图5 探头在踏面激发的超声表面波

当车轮踏面表面及近表面有裂纹或剥离等缺陷存在时，超声波在缺陷端面处一部分能量被反射，沿原传播路径返回并被探头检测到，形成缺陷回波(图6 中E波)： 另一部分能量绕过缺陷端面继续传播，形成周期性回波(图6 中RT 波)。通过正常的周期回波(RT)与缺陷回波(E)的对比分析，可以定性分析当前轮对的踏面缺陷状况。3.1.3在轮辋缺陷检测中的应用

随着我国铁路行车速度的提高，尤其是动车组的开行给行车安全提出新的考验，转向架关键部件如轮辋、车轴、轴承等局部位置承受更大的应力，要求检测过程速度加快、检测时间间隔变小、检测范围扩大，给铁路无损检测领域提出更高的技术要求。

根据轮辋缺陷裂纹的走向特点，将轮辋缺陷分为三类。

图6 表面波传播原理

(1)周向缺陷：沿车轮踏面圆周方向并与踏面圆周方向平行：(2)径向缺陷：方向垂直踏面，与车轮直径方向平行：(3)轴向缺陷：轮辋内部与车轴方向平行。

在探伤实验中，通过在样板轮上打平底孔、刻槽的方式形成人工缺陷模拟轮辋的实际缺陷，平底孔的直径或刻槽的宽度与实际裂纹尺寸成当量关系，相控阵探头分别置于踏面(I)和轮缘内侧(II)进行扫查，样板轮工缺陷如图7 所示，缺陷# 为距轮缘顶端40 mm且垂直轮辋侧面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷? 为距踏面10 mm 垂直轮辋侧面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷% 为距踏面50 mm 垂直轮辋侧面 3 mm 深90 mm 的平底孔： 缺陷&为轮辋与轮辐交接区域，朝踏面方向3 mm、孔底距踏面40 mm 的平底孔： 缺陷为轮缘根部靠踏面侧2 mm 深周向刻槽，槽宽小于等于2 mm。

根据超声检测脉冲回波反射的特点，周向缺陷采用纵波相控阵直探头从踏面进行扫查： 径向缺陷采用纵波相控阵直探头在轮缘内侧面进行扫查： 轴向缺陷采用纵波相控阵直探头、横波相控阵斜探头均能扫查到。

图7 轮辋人工模拟缺陷探伤

3.2 建筑和土木方面的应用

3.2.1超声在测定混凝土结构强度及厚度的应用(1)强度检测技术

超声波检测是利用混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数(声速)之间的相关性来检测混凝土强度的。混凝土的弹性模量越大，强度越高，超声波的传播速度越快。经试验，这种相关关系可以用非线性数学模型来拟合，即通过实验建立混凝土强度和声速的关系曲线。现场检测混凝土强度时，应该选择浇筑混凝土的模板侧面为测试面，一般以200 mm(200 mm 的面积为一测区。每一试件上相邻测区间距不大于2 m。

测试面应清洁平整，干燥无缺陷和无饰面层。每个测区内应在相对测试面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上，测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合，并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。按拟定的回归方程计算或查表取得对应测区的混凝土强度值。

(2)声波反射法测量厚度

如图8 所示，超声波从一种固体介质入射到另一种固体介质时，在两种不同固体的分界面上会产生波的反射和折射。声阻抗率相差越大，则反射系数也越大，反射信号就越强。所以只要能从直达波和反射波混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点，并测出反射波到时，就可以由式(1)计算混凝土的厚度:

式中：H 为混凝土厚度： C 为混凝土中声速： T 为反射波走时： L 为两换能器间距。由(1)式知，要准确得到厚度,关键是如何设法测得较准确的混凝土声速C 和混凝土结构底面波反射声时T。当换能器固定时，L 是一个常数。

图8 反射法测量厚度原理图

3.2.2超声在桥梁混泥土裂缝检测中的应用

桥梁结构的使用性能及耐久年限，主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同决定。由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷，这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处： 此外，桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀，带来后天病害。

如图9 所示，先在与裂缝相邻的无缺陷混凝土利用*测法计算出超声波在测距为2a 的混凝土中的声时t0 ：再将超声换能器置于裂缝两侧各为a 的距离，计算出跨缝测试超声波的声时tc，计算裂缝深度dc 公式为 :

图9 桥梁检测示意图

3.3 焊接方面的应用

采用超声相控阵技术及B 扫描实时成像技术，通过足够数量的探头排列和触发时间控制，并选用不同频率范围，可以实现嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测。

通过对比超声图像与接头实剖图，发现该方法能可靠地检出物体中的缺陷，并能较精确地确定缺陷位置和大小。在聚乙烯管道安装工程中的检测进一步验证了该技术的可靠性。

检测示意图如图10 所示。超声相控阵检测结合B扫描技术可以判断检测截面上电阻丝的位置，从而可以判断由于管材和套筒配合过紧造成的电阻丝垂直方向的错位情况，从实剖图上得到验证如图11 所示，比较超声成像图和实剖图可以看出，相控阵超声方法对金属丝有较好的分辨效果，连很微小的位移也能分辨出来，定位精度达0.5 mm。

图10 焊接检测示意图

图11 电阻丝错位图

超声相控阵技术及B 扫描实时成像方法对聚乙烯管电熔接头各类缺陷有较好的检出能力。对大量含缺陷电熔接头进行检测和试验研究，对比超声成像图和实剖图，发现该方法对于聚乙烯电熔接头的各类缺陷均有较高的检测灵敏度和检出精度。通过城镇聚乙烯燃气管道安装工程检测实践，验证该技术能实现嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测。

4.结语

现代意义的无损检测技术是随着各种科学技术的发展而发展起来的。超声检测作为无损检测的一种重要方法和热点研究，主要集中在研制适应性强、灵敏度高的探头： 为判断缺陷性质而对各种缺陷数学模型的建立： 缺陷的检出和信号分析技术： 无损*价的量化研究以及拓展超声检测在其他领域的应用。它的优点是对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果，易于携带，多数超声探伤仪不必外接电源，穿透力强。局限性是藕合传感器要求被检表面光滑，难于探出细小裂缝，要有参考标准，为解释信号要求检验人员素质高。

超声检测技术未来将会向着以下几个方面发展:

(1)向高精度、高分辨率方向发展。

(2)高温条件下的测量明显增多，在线检测、动态检测增多。

(3)在若干领域向超声无损*价发展，使得超声检测内容有了新的内涵。如超声检测技术与断裂力学相结合，对重要构件进行剩余寿命*价： 超声检测技术与材料科学相结合，对材料进行物理*价。

(4)在无损检测方面向定量化、图像化方向发展,超声检测系统将进一步数字化、图像化、自动化、智能化。

(5)现代信息处理技术如数值分析法、神经网络技术、模糊技术、遗传算法、虚拟仪器技术将广泛应用于超声检测技术领域。

随着各种科学技术在超声检测及探伤中的不断深入应用，相信超声检测作为许多领域产品质量保证的重要手段之一必将得到更多的关注与提高。

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第五篇：传感器的典型应用八(石油2)

典型应用八：抽油机电机节能及间歇性采油的控制

目前，抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查一般在30％左右。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。

TWLY-1型抽油机专用综合控制器采用全新的MCU技术，结构简单，技术可靠，可通过面板设置抽油机每天定时启动，定时停车时间，持续运行时间，持续停车时间，晃电自动判断（可恢复到正常状态），启动延时时间，控制抽油机运行停车状态。TWLY-1型抽油机专用综合控制器是集抽油机电机节能、间歇性采油于一体的抽油机综合节能装置。该装置不仅节能效果好、增加油井的产量，便于故障诊断和油井管理。该专用综合控制器是目前油田最有效、最先进的抽油机控制器。

电气接线图，如图1-1

图1-1电气接线图

现场应用，如图1-2，图1-3

图1-2 抽油机配电箱

图1-3 配电箱的内部图