超声波探头(发射和接收超声波的装置)

超声波探头（ultrasonic sensor），别名为超声波传感器、超声波换能器，是能感受超声波并转换成可用输出信号的传感器。即利用超声波在媒质中的传播特性进行测量的传感器。

超声波是一种人耳听不见的机械波，频率在20千赫以上，波长较短，绕射小，能够成为射线而定向传播。为了将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探头。探头根据波形不同，可分为纵波探头、横波探头、表面波探头等。探头由于其结构的不同可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头（纵波、横波、表面波、兰姆波）、双探头、聚焦探头、水浸探头以及其它专用探头等。

超声波探头的应用在于利用超声波探伤、测距、测物，如利用装有超声波探头的检测机器人对输油管进行检测，利用超声波探头的倒车雷达，利用超声波探头制成的鱼群探测器。

超声检测始于人类对声呐的研究与应用。声呐通过发射声波和接收回波来探测水中物体。1929～1931年，苏联和德国科学家提出了利用超声波进行无损检测的可能性。1940年，美国科学家发明了第一套具有实用价值的超声检测方法与仪器。

简史

超声检测始于人类对声呐的研究与应用。声呐通过发射声波和接收回波来探测水中物体。1929～1931年，苏联和德国科学家提出了利用超声波进行无损检测的可能性。1940年，美国科学家发明了第一套具有实用价值的超声检测方法与仪器。20世纪50年代，超声波的医学诊断能力开始快速发展。到了60年代，小型超声波检测仪的出现，使得超声检测技术在工业上得到了广泛应用。随着计算机技术的进步，超声检测设备在工业、医学及高技术产业中不断发展完善，向着智能化、小型化的方向发展。

功能原理

在弹性介质中传播且频率高于20 000赫兹的机械波称为超声波。大多数超声检测所采用的检测频率范围为0.1～25兆赫兹。这种机械波在被测物中能沿单射方向以一定的速度传播，当遇到声阻抗不同的界面（如缺陷、被测物边界等）会产生反射、折射、散射、透射和波形转换等现象。通过分析研究这些现象，可以对被测物进行检测与评价。超声检测原理如图所示。

结构

超声波探头由声波发送器、声波接收器、控制部分与电源部分组成。声波发送器由发送器与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声能量并向空中辐射；而声波接收器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收声波产生机械振动，将其变换成电能量，作为接收器的输出，从而对发送的超声进行检测。实际使用中，用作声波发送器的陶瓷振子也可以用作声波接收器的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲频率、占空比、稀疏调制和计数等进行控制。

主要分类

按波形分类

探头的种类很多，根据波形不同，可分为纵波探头、横波探头、表面波探头等。根据耦合方式分为接触式探头和液（水）浸探头。根据波束分为聚焦探头与非聚焦探头。根据晶片数量不同又分为单晶单头、双晶探头等。此外还有高温探头、微型探头等特殊用途的探头。

按结构分类

探头由于其结构的不同可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、可变角探头（纵波、横波、表面波、兰姆波）、双探头（一个探头发射，另一个探头接收）、聚焦探头（将声波聚集为一细束）、水浸探头（可浸在液体中）以及其它专用探头（如探高压瓷瓶的S型或扁平探头或探人体用的医用探头）等。

直探头

直探头直探头也称平探头，可发射及接受纵波。直探头主要由压电晶片、阻尼块（吸收块）及保护膜组成。（1）压电晶片压电晶片的厚度与超声频率成反比。例如锆钛酸铅（PZT-5）的频率厚度常数为1890千赫/毫米，晶片厚度为1毫米时，自然频率为1.89兆赫，厚度为0.7毫米时，自然频率约2.5兆赫。电压晶片的直径与扩散角成反比。电压晶片两面敷有银层，作为导电的极板，晶片底面接地线，晶片上面接导线引至电路上。（2）保护膜直探头为避免晶片与工件直接接触而磨损晶片，在晶片下粘合一层保护膜，有软性保护和硬性保护两种。软性的可用塑料薄膜（厚约0.3毫米），与表面粗糙的工件接触较好。硬性可用不锈钢片或陶瓷片。保护膜的厚度为二分之一波长的整数倍，声波穿透率最大。厚度为四分之一波长的奇数倍时，穿透率最小。晶片与保护膜粘合后，探头的谐振频率将降低。保护膜与晶片粘合时，粘合层应尽可能的薄，不得渗入空气。粘合剂的配方为618ep：二乙烯三胺：邻苯二甲酸二丁酯=100：8：10粘合后加一定的压力，放置24小时，再在60℃~80℃温度下烘干4小时。（3）阻尼块阻尼块又名吸收块，其作用为降低降低晶片的机械品质系数，吸收声能量。如果没有阻尼块，电振荡脉冲停止时，压电晶片因惯性作用，仍继续振动，加长了超声波的脉冲宽度，使盲区增大，分辨力差。吸收块的声阻抗等于晶片的声阻抗时，效果最佳，常用的吸收快配方如下钨粉：环氧树脂：二乙烯三胺（硬化剂）：邻苯二甲酸二丁酯（fe5）=35克：10克：0.5克：1克为使晶片和阻尼块粘合良好，在灌浇前先用丙酮清洗晶片和晶片座表面，并加热至60℃~80℃再行灌浇。ep和钨粉应充分混合均匀。灌浇后把探头倾斜，使阻尼块上表面倾斜20°左右，这样可消除声波在吸收块上的发射，使荧光屏上杂波减少。

斜探头

斜探头超声波探伤仪斜探头可发射及接收横波。斜探头主要由压电晶片、阻尼块和斜楔块组成。晶片产生纵波，经斜楔倾斜入射到被测工件中，转换为横波。斜楔为有机玻璃，被测工件为钢，斜探头的角度（即入射角）在28°~61°之间时，在钢中可产生横波。斜楔的形状应使声波在斜楔中传播时不得返回晶片，以免出现杂波。直探头在液体中倾斜单射工件时，也能产生横波。

聚焦探头

聚焦探头可将超声波聚集成一细束（线状或点状），在焦点处声能集中，可提高探伤灵敏度及分辨力。聚焦探头多用于液浸法自动化探伤。探头发射纵波，但在液体中倾斜入射到工件时，由于入射角的不同，在工件中可产生横波、表面波或兰姆波，根据需要而定。超声聚焦有二种方法：一种是将压电晶片做成凹面，发射的声波直接聚焦，另一种是用声透镜的方法将声波聚焦。前者因烧结成型较困难且曲率半径不易保证，目前多用后者。

双探头

双探头超声波探伤仪双探头又称组合探头，两块压电晶片装在一个探头架内，一个晶片发射，另一个接收。双探头发射及接收纵波，晶片下的延迟块使声波延迟一段时间后射入工件，这样可探测近表面的缺陷并可提高分辨力。两块晶片有一转轴倾角（一般约3°~18°），两晶片声场重合部分（阴影部分），是探伤灵敏度较高的部位。

其他

表面探头波可发射和接收表面波。表面波探头是斜探头的一个特例。当入射角增大到某一角度，使在工件中横波的折射角为90°时，在工件中可产生表面波，直探头在液体中倾斜入射工件时，也能产生表面波。兰姆波探头可发射和接收兰姆波，也是斜探头的一个特例。当入射角达到一定角度时，在工件中产生兰姆波，直探头在液体中倾斜入射工件时，也能产生兰姆波。可变角探头可变角探头可连续改变入射角，以产生纵波，横波，表面波和兰姆波。压电晶片固定在半圆楔块上，半圆楔快又置于大楔块的圆洞内，空隙处注有油，以作导声耦合剂。半圆楔块转动时，入射角即改变。水浸探头可在水中探伤，其结构与直探头相似，只是探头较长，以便浸在水中，保护膜也可去掉。

主要特点

其优点为：穿透能力强，可以检测内部较深的缺陷。灵敏度高，可以检测微小缺陷。对人体无害，对周边设备或材料几乎没有影响。相较于其他无损检测方法，可对缺陷的深度进行精确测量。适用范围广，可对多数金属或非金属材料进行检测。检测仪器便携、自动化程度高，可对待测构件进行现场测量。

其缺点为：需要一定经验的技术人员进行检测和判断检测结果。对待测构件表面的光洁度有一定的要求。接触式检测需要耦合剂，检测复杂结构时难度较大。

应用领域

在医学上的应用主要是诊断疾病，超声波诊断的优点是检查时受检者无痛苦、无损害，方法简便，显像清晰，诊断的准确率高等。在工业上的应用主要是测量流体流速、材料厚度和探伤等。特点是不影响被测物的状态和价格较低。可以对集装箱状态进行探测。将超声波探头安装在塑料容体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波，据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。可用于检测透明物体、液体，任何表面粗糙、光滑、对光密致的材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。可以应用于食品加工厂塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环境如洗瓶机、噪声环境、温度剧烈变化环境等进行探测。可用于探测液位、探测透明物体和不透明物位置；流程监控，以提高产品质量；检测产品缺陷等；超声波接近传感器能应用于机器人防撞，以及防盗报警等相关领域。

发展趋势

在未来的超声波探头应用中，将与信息技术、新材料技术结合起来，出现更多的智能化、高灵敏度的超声波探头。

材质和工艺

普通超声波探头采用压电晶片加阻尼吸声材料封装后制成，发射的超声波集中于某一角度之内。晶片附近除主声束外，还有数个副声束，而且主声束轴线上的声压是起伏变化的，出现几个极大值，该区域称为近场区。近场区不适合于检测。近场区以外为远场区。在远场区中，声束轴线上的声压随至探头的距离增加而单调变化。采用声透镜或球面晶片可会聚声束，制成聚焦探头。

技术指标

超声波检测最重要的两项技术指标是检测灵敏度和缺陷分辨率。检测灵敏度指在特定的仪器和探头的条件下，可发现的最小缺陷尺寸；缺陷分辨率指仪器和探头组合可区分开相邻两个缺陷的能力。

标准规范

2012年5月24日，行业标准《无损检测仪器超声波探头型号命名方法》发布，2012年11月1日实施。该标准由全国试验机标准化技术委员会归口上报，主管部门为工业和信息化部，主要起草单位为常州超声电子有限公司、广东汕头超声电力股份有限公司等，主要起草人为肖潇、詹俊生等。

2021年5月28日，行业标准《铁路无损检测材料第3部分：超声波检测探头》发布，2021年12月1日实施。该标准由中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司归口上报，主管部门为国家铁路局，主要起草单位为中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、中车太原机车车辆有限公司、中国铁路武汉局集团有限公司、中车长客股份公司客车股份有限公司、中车戚墅堰机车有限公司、中车南京浦镇车辆有限公司，主要起草人为贾敏、万升云、章文显、易双清、程志义、沈科、谢宁、桑劲鹏、任好娟、陈翠丽。

参考资料

超声波传感器.中国大百科全书.2025-04-13

超声波检测.中国大百科全书.2025-04-13

超声波检测法.中国大百科全书.2025-04-13

超声探头与超声设备的介绍.广州多浦乐电子科技股份有限公司.2025-04-21

超声检测.中国大百科全书.2025-04-13

无损检测仪器超声波探头型号命名方法.全国标准信息公共服务平台.2025-04-13

铁路无损检测材料第3部分：超声波检测探头.全国标准信息公共服务平台.2025-04-13