超声波的基本原理精选(九篇)

第1篇：超声波的基本原理范文

关键词：沥青混凝土；摊铺机；非接触；平衡梁

一、引言

随着我国经济的不断发展、人民生活水平的提高，对于高速公路等基础性建设事业的标准越来高。沥青路面施工不断提高各项技术指标，目前江苏相关规范要求压实度不小于98%（马歇尔密度），沥青路面上面层平整度的均方差不大于0.8mm[1]。路面平整度是高级公路质量评价的重要指标，传统的接触式平衡梁有着无法克服的缺陷和不足。为了全面提高路面平整度，非接触式超声波平衡梁技术得到广泛应用。

二、超声波测距系统

1.超声波测距原理

超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

2.超声波传感器

超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声波探头或超声波换能器。这种装置能发射超声波和接收超声波，并转换成相应的电信号[2]。超声波传感器主要以超声波作为检测手段，产生超声波和接受超声波，它有发送器和接收器，一个超声波传感器也可具有双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

三、非接触式超声波平衡梁的优点

超声波平衡梁系统采用了数字式控制器，多个超声波传感器与控制器之间都以纯数字形式传送信号，信号传输方便、迅速、可靠，抗干扰能力强，使调平系统的综合性能得以大大提高。利用超声对目标进行检测有其独特的优点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点，能够利用在摊铺机的自动找平系统中。

四、非接触式超声波平衡梁在实际工作中的应用

1.本文以SMC-8428长靴超声波平衡梁为例，来说明其研究与应用情况，安装示意图如下图所示：

2.工作原理

（1）非接触式超声波平衡梁是一种基于超声波测距原理进行工作的移动找平基准，检测超声主要是利用超声的信息载体作用，每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒按预定算法处理这些数据，得到各个超声波探头到路面之间的平均距离。在传播过程中，测出超声脉冲从发射到接收经历的时间，如果确定传播介质的声速，就能计算出工作原理从探头到目标之间的距离，测距公式如下：

如图所示：其中L代表探头到地面的距离m；C代表声波在介质中的传播速度m/s；t代表声时s。

（2）SMC-8428长靴超声波平衡梁传感器精选了6个性能品质极高的进口大功率超声波探头同时测距，检测分辨率高，检测范围大，测量精度高。每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒按预定算法处理这些数在操作工作前先利用超声波测距原理先设定1个基准面：在摊铺机每侧均朝下布置3个超声波传感器总成，每个总成含有6个探头，布置在左右两侧平衡梁，；首先探头发出声脉冲，声脉冲到达地面以后再以声速返回发射器，随后以地面为基准持续不断地测出地面与5个探头之间的距离，最后一步经过选择处理后对这些距离取平均值。5个独立探头同时工作，但是，只有 3 个接近实际检测值的测量值才会采用， 求得平均值，多探头超声波传感器工作示意图如下：

（3）在施工过程中，当摊铺机工作在不平坦的路面上的时候，与机架连接的牵引点也随着上下起伏变化。因此，摊铺机每一侧非接触式平衡梁上3个超声波传感器的平均高度和角度与工作前的设定值之间将会产生偏差。偏差信号经过DSP控制器综合处理以后，该系统通过控制电磁换向阀的油路流向来控制油缸活塞的上升和下降，通过改变高速开关阀的通断时间来控制油缸活塞的运动幅度，实现熨平板对路面波动的自动补偿，消除误差，以确保路面对平整度和厚度的要求。长靴超声波平衡梁及其平均功能，可作用于较长且不规则路面，如路面的坑凹部分将会被补偿，但单个传感器却无法达到这一效果。超声波滑靴组合可剔除较小的不规则值，较大的不规则值将会被 9 个检测值平均掉，这样使得数据更加精准。

3.影响测量精度的原因

超声波测距的精度受环境温度、发射角辐射范围和障碍物表面特性等因素的影响，例如在道路施工中，温度、风力、烟气等因素；其次超声波探头的数量越多，系统的找平精度越高；同时测量精度还与超声波的幅值、反射面的质地、反射与入射超声波之间的夹角有关。

对于受环境温度影响我们可以利用温度补偿和在探头下安装参考杆的方法来解决；对于发射角辐射范围可以通过软件的方法加以解决，在虚假反射波到来之前这段时间内禁止接收中断的发生，就可以避开虚假反射波带来的干扰。

五、结语

综上所述，本文针对传统接触式平衡梁技术的缺陷与不足，详细论述了现阶段应用比较广泛的非接触式平衡梁的工作原理与及系统构成、特点，能够为技术人员的全面提高施工质量，起到参考作用。

参考文献：

第2篇：超声波的基本原理范文

【关键词】超声波法在桥梁桩基检测中的原理；检测方法；数据处理分析；注意事项

Abstract: With the development of bridge construction,bridge pile detection has been widely appreciated, one of the ultrasonic testing method is commonly used detection methods, we should grasp the basic principles of bridge pile testing, correct use of ultrasonic detection methods, based on data analysis and processing, and pay attention to some problems, so that the application of ultrasonic method is more accurate.

Key words: ultrasonic bridge pile testing principles;detection methods; data processing and analysis; note

中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：

1. 前言

随着社会主义市场经济的发展，我国的公路桥梁建设也得到了飞速的发展，现在越来越多的桥梁采用桩基这种形式，桩基是桥梁的主要承重结构，桩基一般具有良好的抗震性能和承载能力而广泛的在桥梁中得到应用。桩基可以将上部结构中的荷载穿过软弱地层传递到坚硬的土层或者岩层，大大增加了桥梁的稳固性，减少了地基的沉降。桩基的质量直接关系到桥梁的稳固性和实用性，甚至还关系到美观性等。所以，我们要做好桩基的检测，严格的对桩基的质量进行把关，其中的超声波法就是一个广泛应用的无损测验技术。我们要深刻的了解超声波技术的应用原理，了解其检测的方法，还要做好检测数据的分析和处理。

2. 超声波技术的基本原理

2.1超声波技术的基本原理

超声波法根据超声波的传播途径和接受方式主要分为两种，一种是透射法，第二是回波法，回波法在金属的探测等方面有着广泛的应用，但是混凝土多是非均匀的，回波法容易受到障碍和影响，在目前的桥梁桩基的检测中，大部分用的是透射法。

超声波透射法检测桥梁桩基的基本原理是在桥梁桩内预埋若干的检测管作为检测的通道，将发射与接受探头放在声测管中间，并在管内用清水充满作为耦合剂。然后将仪器中的脉冲信号发生器发出的电脉冲加在发射换能器的压电体上面，然后转变为超声波脉冲，这样的超声波脉冲可以穿过需要检测的桩基上，再由接收器所接受，最后变为电信号。检测人员根据仪器中的测量系统测出超声脉冲穿过混凝土所需的时间、接受波幅值、脉冲主频率、波形及频谱等参数。【1】检测人员根据数据处理系统按照接受信号的各种参数来进行综合的判断和分析，这样可以对桩基混凝土内部的各种不足的性质、位置和大小做出判断，这样给出桩基混凝土的强度和均匀度等级评价的指标。

2.2超声波声参量与桩身混凝土质量的关系

超声波是一种脉冲波，在混凝土中主要以纵波形式传播。【2】我们还要认识到当超声波在混凝土中进行传播时，波的强度会发生散射、吸收以及扩散的衰减。会将波的强度减弱。同时桩身混凝土的强度以及声波的参量都是密切相关的，可以利用超声波在混凝土中传播时参数的变化来分析和判断桩身混凝土的质量。

3. 超声波技术的检测方法

超声波投射的检测方法按照发射和接收换能器相对高程的不同可以分为三种，扇形扫测法、斜测法以及平测法等，现在广泛应用的是斜测法以及平测法。

平测法，是指在同一高度运用发射和接收换能器进行测试。平测法可以检测出桩基垂直方向的缺陷，并能找出缺陷的位置、大小以及性质，平测法也有一定的缺陷就是，不能够检测出水平方向的缺陷位置、大小以及性质。斜测法是作为评测法补充的，能够弥补评测不能在水平位置进行缺陷位置、大小以及性质的检测，斜测法在应用过程中保持发射和接受换能器的相对高度不变，需要对同一个截面进行两次独立的测试，而且换能器之间的高度差越大，对于在水平方向的缺陷位置检测也就越准确，其中不可忽视的是，随着换能器高度差的增大，接受换能器接受到的信号会变弱，这样也会影响到检测的准确度，所以说，在实际应用中，一定要把握好发射换能器和接受换能器之间的高度差，以便更好的做出判断。

4. 检测数据的分析和处理

4.1现场检测

超声波在运用透射法进行桩身的检测时，需要运用到声测管，声测管埋藏的数量直接决定了需要检测截面的个数，还决定了检测的精确度。声测管的埋藏数量越多，超声波对于桩身混凝土的检测范围就会越大，这样检测截面的范围就会很大，声波对桩身混凝土的有效检测范围就会变大、更加的细致，同时也需要消耗更多的物力和人力，并且增加了成本；但是如果减少声测管就会大大降低超声波对桩身的检测范围，更加降低了检测的准确度以及可靠性。因此，一定要把握好声测管的数量，声测管的数量和布置都是由桩身的直径决定的。

4.2数据的处理

桩身的缺陷主要根据波幅临界值、声速临界值以及PSD判据三个方面的综合来进行判定。根据斜率法可以来判断混凝土的缺陷。同时还要结合波幅和声速进行判断，并要根据声速的深度曲线以及波幅深度的曲线和相关的临界线进行判断，如果声波或者波幅都低于临界线的测点都是异常的。并且当测点的参数异常的时候，就会成为缺陷的可能，我们可以根据可以测点的分布、数值的大小，来进行桩基缺陷范围的判断和分析。

5. 超声波法在桥梁桩基检测中应用的注意事项

在实际的应用中，由于桥梁建设各种各样的特殊性和复杂性，超声波透射法在实际的应用中可能会出现与理论不一样的方面，会有一些影响因素需要我们注意。

5.1地质含水量

如果桩身在浇筑过程中产生了空洞且空洞位置在地下水位之下时，地下水便会进行孔洞。【3】因为，在运用超声波进行检测时，超声波穿射中会穿射地下水，这样会大大影响到桩基缺陷检测的准确率

5.2声测管的布局

在运用超声波进行桩基检测时，声测管的布局主要包括三种方式：对于桩身的直径小于一米时，声测管的布局可以在桩身内采用椭圆形即两端安装的布局，这样可以检测出桩基的缺陷；对于桩身的直径等于或者大于一米时，在桩基内，声测管的分布可以采用三角形分布，有三个端点，这样检测的准确率会大大提高；当一些桩基的直径过大时，桩身内声测管的分布要采用四边形的分布，要有四个端点，这样覆盖率更大，更有利于信号的接收，提高检测率。因此，对待不同的桩基类型要有不同的声测管布局，这样才能做到节省投入和提高准确率的统一。

5.3声测管的安装

声测管的安装首先要确保各式声测管的平行安装，以防止在检测过程中出现一些不必要的问题，这些问题很多都是由于声测管的不平行安装导致的，出现的问题一般包括检测的声时值、均方差、离散系数、平均声速等统计值产生偏离。【4】另外，在声测管安装过程中，还可能会因为施工中的泥浆比重大，有些声测管被厚重的泥浆包裹，这都会导致超声波的信号偏低，出现误判。因此，一定要注意声测管的安装，以免导致失误的出现。

5.4桩基的期龄

对超声波检测时的信号以及波形影响较大的还有桩基的期龄，按照理论上的要求，桩基的期龄必须达到十四天再进行检测，及时做到时间紧迫，不能达到十四天，最低也要有一周的时间，如果不按照这个规范操作的话，时间过短，这会影响到超声波检测时的信号以及波形，会导致信号过弱，波形衰减，影响检测结果。

6. 结语

超声波的检测方法可以较好的反应桩身的缺陷，准确率较高，而且操作较为简单，这都让超声波检测法广泛的在桥梁桩基的检测中得到应用。我们在进行超声波检测时一定要掌握其工作原理，正确运用超声波检测技术的方法，在此基础上对数据进行分析和处理。但是不可忽视的是在超声波检测方法的运用时还要考虑一些注意事项，提高超声波检测的准确率。

【参考文献】

[1]赖庆球.超声波法在桥梁桩基检测中的应用[J].山西建筑，2008,（13）：328—329.

[2]梁劲毅，温永钦.超声波法在桥梁桩基检测中的应用[J].山西建筑，2010，(34):318—319.

[3]吴柏林.论超声波法在桥梁桩基检测中应用[J].现代商贸工业，2010，(08):298—299.

第3篇：超声波的基本原理范文

[关键词] 超声波测距 单片机 温度传感器

随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。

一、设计原理

超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(t/2)*C

式中 L――要测的距离

T――发射波和反射波之间的时间间隔

C――超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s

声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。

二、超声波测距仪设计目标

测量距离: 5米的范围之内;通过LED能够正确显示出两点间的距离;误差小于5%。

三、数据测量和分析

1.数据测量与分析

由于实际测量工作的局限性，最后在测量中选取了一米以下的30cm、50cm、70cm、80cm、90cm、100cm 六个距离进行测量，每个距离连续测量七次，得出测量数据(温度:29℃),如表所示。从表中的数据可以看出，测量值一般都比实际值要大几厘米，但对于连续测量的准确性还是比较高的。

对所测的每组数据去掉一个最大值和最小值，再求其平均值，用来作为最终的测量数据，最后进行比较分析。这样处理数据也具有一定的科学性和合理性。从表中的数据来看，虽然对超声波进行了温度补偿，但在比较近的距离的测量中其相对误差也比较大。特别是对30cm和50cm的距离测量上，相对误差分别达到了5%和4.8%。但从全部测量结果看，本设计的绝对误差都比较小，也比较稳定。本设计盲区在22.6cm左右，基本满足设计要求。

2.误差分析

测距误差主要来源于以下几个方面：

(1)超声波发射与接收探头与被测点存在一定的角度，这个角度直接影响到测量距离的精确值;(2)超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发;(3)由于工具简陋，实际测量距离也有误差。影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等等。

四、应用分析

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。

超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。

总之，由以上分析可看出:利用超声波测距，在许多方面有很多优势。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

五、结论

本设计的测量距离符合市场要求，测量的盲区也控制在23cm以内。针对市场需求，本设计还可以加大发射功率，让测量的距离更加的远。在显示方面，也可以对程序做适当改动，使开始发射超声波时LED显示出温度值，到超声波回波接收到以后通过计算得出距离值时，LED自动切换显示距离值，这样在视觉效果上得到更加直观的了解。

参考文献:

[1]孙涵芳徐爱卿:MCS一51／96系列单片机原理及应用(修订版)[M].北京：北京航空航天大学出版社.2002.46-170

[2]金篆芷王明时:现代传感器技术[M].电子工业出版社.1995.331―335

[3]孙涵芳徐爱卿:MCS一51／96系列单片机原理及应用(修订版)[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002.46-170

第4篇：超声波的基本原理范文

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.

第5篇：超声波的基本原理范文

【关键词】多通道；时差法；超声波流量计

引言

超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。

多通道（也叫多声道）测量是近年来流量测量的一个研究热点，许多流量计都在原有技术的基础上向多通道测量改进，采用多通道测量有以下两个原因：延长声程和确定截面流速分布。

1、多通道测量超声波流量计测量原理

1.1时差法超声波流量计测量原理

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速。。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。其原理图如图1所示：

常用单声道的时差法超声波流量计是以超声波的时间差方法为基础。利用超声波脉冲在通过液体顺逆两方向上传播速度之差，来求圆管内液体的流量，其关系表达式如下：

通过时间指标：

与系数Kh相乘，得到体积流量：

1.2以确定截面流速分布为目的的多通道测量

流体的流态可以分为层流和紊流两种，而单声道测量求出的是声路上的平均线速度，为了求出流量，仅知道这个平均速度是不够的，必须知道流速在横截面上的分布曲线，为此可以在管壁上安装多对换能器，每对换能器声束所在平面与管道轴线相互平行，且每对换能器的测量原理和前面所述的单通道基本相同，利用每个声道测得的数据近似求出横截面上的分布曲线，进而求出平均面速度和流量。如图2所示是一个3声道测量的例子：

1.3延长声程和确定流速分布相结合的多通道测量

以2声道测量为例子，其声道从管道截面和侧面上看如图3所示：

图中的4个超声波探头都安装在过轴线的同一个平面上，管道同侧的2个探头一个方向向上一个向下，每一路超声波都是经过管壁的的两次反射回到同侧的探头，这样不仅可以延长声程，而且可以得到两个声道测量的平均值，使测量更准确，为了更精确地确定流速分布，还可以采用4声道5声道等。

目前已经投入应用的多通道超声波流量计中，以确定截面流速分布为目的的多通道测量的通道数量最大可达到9个，再加上精确的数学分析，如插值法等，其测量精度可以达到≤±0.1～0.2% 。

2、超声波流量计安装建议

超声波流量计的一般安装条件应该满足某几个原则，即保证设备的可靠性，精确性，可重复性和长期的稳定性。管线内的气体或固体被限制到最小以避免流量计产生错误。事实上，气泡或者固体颗粒影响超声波在管道中传输，仪表会产生不可靠的数据。由于管线比较长，压力损失几乎不存在，不会产生憋压现象，气相的转换也可以避免。

2.1安装环境的要求

2.1.1环境温度：高寒、高热环境既有可能缩短仪表的使用寿命，更有可能损害仪表的测量性能，因此，任何测量仪表都会对外界环境温度的适应能力做出自身的具体规定。在某些特殊情况下（比如，被测介质与外界环境之间的温差较大并且测试流量较低），为预防外界环境温度对测量结果造成的附加影响，建议对仪表及其上下游的测量管加装遮雨防晒设施或者采取必要的隔热保温措施。

2.1.2振动：超声波流量计虽然在出厂前都经过了严格的机械振动试验，但是作为一种精密的测量仪表，如果长期在靠近振动源或具有振动的环境中使用，其测量性能及寿命都有可能受到严重的影响。因此，唯一的方法就是远离或消除振动。

2.1.3电气噪声：超声波流量计作为一种以微电技术为基础的高精度测量设备，虽然其本身具有一定的抗外界电磁和电子干扰的能力，但是安装现场往往复杂多变，如果不对使用环境中的“电气噪声”提出要求，那么在设计和安装时就有可能由于疏忽将其置于电磁场合电子干扰环境之中，比如变压器或固定的无线通讯场所附近，仪表测量的准确性及工作的可靠性就因此可能受到影响。

2.2安装管段的要求

2.2.1上游收敛； 2.2.2上游单束； 2.2.3上游分散。

2.3安装注意事项

在管道上安装设备时，应核对：

a.流量计上游是否清洁 b.法兰和接口是否一致

c.法兰的紧固是否对上下游的管线产生过多的影响

d.电气连接位置是否妥当 e.防爆保护满足需求

f.如安装在危险区域，电源和仪表电缆应该满足电气规范。

参考文献

第6篇：超声波的基本原理范文

【关键词】超声波；扫描；声阻抗

一、声阻抗

声波是纵波，当它在媒质中传播的时候，媒质的密度将作周期性的变化。这种情况自然会引起压强的变化。以空气为例，如果没有声波在其中传播时，各处的压强为大气压强P0，当有声波在其中传播时，每点的压强将会在半个周期内比P0高，在另外半个周期内比P0低。对纯音来说，压强的变化是正弦式的。压强的瞬时值与平均压强P0之差叫声压。计算结果表明，声压的幅值P由以下公式确定：P=Aωρc（其中A表示振幅，ω表示振动的角频率，ρ表示媒质的密度，c表示声波在该媒质中的速度）。又因为媒质质点振动速度的幅值是：V=Aω。两式相除得：■=ρc=Z。Z称为媒质的声阻抗。（这个名词是从电阻抗里借用过来的，在电学中，交流电压与它所产生电流之比叫电阻抗；在声学中，媒质中的声压与质点速度之比叫声阻抗）。声阻抗是说明媒质的声学性质的一个重要物理量。它的大小取决于媒质密度与声速，而声速在一定温度下仅与媒质性质有关，可见声阻抗是由媒质决定的。

二、声波的反射与折射

声波像光波一样，行进到两种媒质的分界面上，会发生反射与折射现象。部分声波返回原媒质传播，称为声波的反射，反射波也称回波。另一部分声波，进入第二种媒质，改变行进方向继续传播，称为折射，折射波也称透射波。声波的反射与折射遵守光的反射与折射定律。反射波的强度Ir与入射波的强度Ii之比决定于两媒质的声阻抗差：。式中ρ1c1和ρ2c2分别代表入射媒质与反射媒质的声阻抗。当界面两侧媒质的声阻抗接近时，ρ1c1≈ρ2c2，则反射波极弱，声波几乎全部透射。当界面两侧声阻抗值悬殊时，ρ1c1﹤﹤ρ2c2或ρ1c1﹥﹥ρ2c2，则声波几乎全部反射。例如，超声波由空气垂直入射人体，空气声阻抗为415kg/s·m2，而肌肉的声阻抗为1.63×106kg/s·m2，两个数值相差几千倍，代入上式，可算出反射波的强度Ir与入射波的强度Ii之比为99.9%。计算结果表明，声波很难从空气进入人体。同样，声波也很难从人体透出进入空气。因此，利用超声波探查人体时，发射超声波的探头与人体表面之间，要涂油或液体石蜡等导声耦合剂。涂抹液体用来消除探头与人体之间的空气夹层，避免超声波在空气与人体的界面上发生强烈的反射。例如，超声波由篦麻油垂直入射人体，篦麻油的声阻抗为1.36×106kg/s·m2，此值与人体肌肉的声阻抗比较接近，可算出反射波的强度Ir与入射波的强度Ii之比为1.8%，反射小，大量超声波透入体内，实践证明，即使反射的强度只有原来强度的万分之一，由于超声波的强度一般很高，反射波仍然可以被测出来。这也是超声波的一个很有用的特点。

三、超声扫描

在医疗诊断中已经普遍采用超声波来探测人体内部的情况，所用的仪器叫做超声扫描仪。这类仪器的基本原理是利用超声波在人体内遇到密度不同的组织的界面时（即声阻抗不同时），部分能量被反射回来，形成回波，根据回波出现的时间间隔，就可以知道不同组织间的距离。从而诊断体内状况。超声扫描仪分为A型、B型、M型、C型等多种类型，简称A超、B超、M超、C超等。它们的基本原理相同，只是工作方式有差别。最简单的超声扫描仪是A型扫描仪。它用一个压电晶体（俗称探头）兼作超声波发射器和回波探测器。所用的超声频率为兆赫级。超声波以脉冲的形式发出，每个脉冲只包含几次振动，在两个脉冲之间，探头起到探测器的作用。超声脉冲进入人体后在不同组织的交界面上（即声阻抗不同的地方）产生回波。回波被探头接收后，经过适当处理（例如放大）后显示在示波器的荧光屏上。A型扫描仪提供的是体内器官的一维信息。荧光屏给出的只是在某一方向上器官分界面的位置和回波的强度，但不能显示整个器官的形状。为了克服这一缺点，B型超声扫描仪采用移动的探头，并使回波的强度不再控制光点的Y轴位移，而只控制光点的亮度。这样当探头在某一方向扫描时，荧光屏上出现的回波就不是一个有高度的尖峰，而是一个亮点。所得的亮点就可以组成人体某一剖面的二维图象。如果人体内有病变组织，则它的声阻抗与其周围组织的声阻抗不同，于是在荧光屏上就可以清晰看出病变的位置及大小。

超声波扫描技术近年来发展很快，成象质量不断提高，与X射线相比，超声波比较安全，对软组织的分辨力也较高。作为一种辅助诊断手段，超声波扫描常用于头颅、胎儿、眼球、肝脏、脾脏等部位的探查。

第7篇：超声波的基本原理范文

关键词：桩基检测；声波透射法；影响因素

中图分类号：TU473文献标识码： A

一、前言

作为建筑物基础部分的基桩，其作用在于穿过软弱的可压缩性土层，把来自上部结构的荷载传递到更密实“更坚挺”压缩性小的土层或岩层上。它不仅承受上部结构的垂直轴向荷载，而且还可能承受上部结构因风力“水流”撞击等横向推力所引起的侧向荷载和弯矩，以及地震状态下的复杂应力，因此其质量好坏，直接关系到建筑物的安全使用。随着无损检测技术的迅速发展和日臻成熟，声波的透射法检测已成为工程质量控制不可或缺的手段。它借助超生检测仪，获取与混凝土性质相关的三个声学参量，即声时（声速）、波幅和频率，再根据这些声学参量对混凝土灌注桩的桩声完整性做出评价。本文结合大量现场检测过程中容易出现的问题探讨声波透射法检测的影响因素。

二、基本原理

声波透射法检测桩声完整性的基本原理是：有超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特征，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，波达到该界面时，产生波的投射和反射，使接收到透射能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、空洞等严重缺陷时，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征、频率变化及波形畸变程度等特性，可以获得侧区范围内混凝土的密实度参数。声波透射法检测桩身质量，即通过测试记录不同侧面、不同深度的超声波动特征，经处理分析判别测区内混凝土的参考强度和判断桩身的完整性类别。

三、声波透射法检测的影响因素

超声波检测桩身、桩椴混凝土的灌注质量，主要通过测量在测距内超声波传播的平均声速、波幅和频率三个声学参数来了解混凝土的灌注质量的。作为从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声波测量的主要因素，在检测和数据分析处理中自觉排除这些影响。这类因素本身与混凝土无关，但又对声波检测带来一定影响。

1、测试路径距离的影响

声波透射法检测灌注质量之前首先是量测桩两声侧管外壁间的净距离，即声波通过的两管之间混凝土的距本原则而研制。预制钢筋笼时两管之间的距离并非与测量面两管距离相等，尤其是在中长桩（装长达30m以上）很难保证。因此在预制钢筋笼时，除了要求管子焊接顺直、平行外，在现场还应进行管距的量测，测试路径量测精度的高低直接影响声学参量测量的准确性，一般测试误差应小于1%。

2、耦合剂的影响

在声波透射法检测过程中，往往在声管中注入清水作耦合剂，但一些工程实例中，发现声测管中注入的是泥水或者污水。一方面在经过一段时间的静置后，泥水发生沉淀，使换能器未能测试到管底；另一方面污水中悬浮的小颗粒使声波产生折射影响声波的传播及接收，如某大桥的水中桩，直接注入污染的江水做声管耦合剂，导致无法正常检测，当用清水置换管中污水之后，检测得以顺利进行。

3、检测探头的影响

用不同的换能器测量时，其波形相差很大。不同批次不同厂家生产的换能器有些实测波幅较高，达100dB以上，有些只有40~50dB。因此对桩基检测的雷管状增压式探头波形应作合理的分析，尽量做到匹配使用。

4、桩基钢筋的影响

钢筋截面积较小，其接收信号远小于混凝土信号。实际测试时，可通过仪器中的增益旋钮制箍钢筋的接收信号：当有较粗的横向钢筋时，应从波形上加以区别。

5、声测管管接头的影响

做声测管的管材一般都不长（钢管为6m长一根），当受检桩较长时，需要几节联结起来。联结方式有螺纹联结和套筒联结，一般选择套筒联结，联结工艺用10cm短管节，其内径大于声测管外径3~5mm，套焊接而成。超声检测时，若换能器正好处于在两管接头之处时，这样就会造成声时少有增大，声速下降不太明显，但首波波幅下降很明显，对于1200mm的测距大约会下降20dB左右。因此在检测和分析数据时，深度―幅度曲线上如出现有规律的波幅突变时，应分析是否是管接头的影响。

6、桩低声测管弯曲的影响

在预制钢筋笼的安装以及混凝土灌注过程中，特别是钢筋笼非通笼时，会造成声测管底部弯曲变形，使管距增大或变小，有时设计的桩底钢筋笼直径缩小（变径），为了保证声测管压弯或打折，甚至折断。当桩底声测管弯曲，使发射与接收换能器不再保持平行，造成波幅降低。由于桩底是缺陷易发生部位，根据此类曲线很难判定桩底是否存在缺陷，很可能发生漏判、误判，给工程留下安全隐患。

7、泥浆护壁灌注桩泥浆比重过大的影响

当泥浆比重过大时，在局部声测管周围会附着一薄层泥皮，两声管测之间发射换能器发射上的声波将穿过泥皮，声波通过低声速介质。当泥皮较薄时，对声速影响不明显；当泥皮较厚时，将首波波幅下降，严重时会出现丢波现象，有时还会造成首波误判。

8、灌注桩桩底沉渣的影响

当超声检测到桩底时，有时会出现桩底声速和首波幅度急剧下降的情况。可能是由于桩底沉渣沉淤太厚，超过300~600mm，甚至更大。沉渣的声速在2.0km/s以下，首波幅下降25~30dB左右。

9、混凝土龄期影响

混凝土声速随龄期的增加而上升（在一定期间内）。但在硬化初期，声速很低，与泥沙夹层难以区别。而且混凝土对声能的吸收系数较大，信号较低。实验证明：混凝土强度达到设计标号70%以上时，便于明确的判断缺陷的存在。一般需要10~15天时间。

10、零声时的影响

零声时分为系统延时（t。）和现场检测的零声时（t。′）两部分。在检测时，仪器所显示的脉冲与接收信号之间的时间间隔，实际上是发射电路施加于压电晶片上的电信号的前缘与接收的声波被压电晶体交换成的电信号的起点之间的时间间隔，在电延迟时间、电声转换时间和声延迟三部分延迟中，声波延迟所占比重最大，称系统延时。它的标定方法一般采用时距法。现场检测时的零声时（t。′）为（t。′）=（d1-d2）/Vw+(d3-d1)/Vp(d1―声测管内径d2―换能器外径，Vw―耦合介质的声速，d3―声测管外径，Vp―声测管介质的声速)。系统延时（t。）的标定方法不正确和现场检测时的零声时（t。′）的计算有误，都将对检测结果造成一定的影响。

第8篇：超声波的基本原理范文

关键词： 超声波； 油位测量； 储油罐； 最小二乘法

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0150?03

Research and implementation of ultrasonic wave oil?level measurement device

based on single?chip microcomputer

HUANG Si?qing1， FENG Xue?jun2

（1. Zhongbei College， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China；

2. College of Computer Science and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China）

Abstract： An ultrasonic wave oil?level measurement device based on single?chip microcomputer was developed to overcome the difficulty of real?time oil level detection for oil production plant. The single?chip microcomputer system is the core of ultrasonic oil level detection instrument， which utilizes ultrasonic wave as information detecting means to realize oil level detection of oil tank， and adopts the least square method to analyze and process the measured data. The ultrasonic wave oil level measurement instrument based on computer technology and ultrasonic detecting technology has the advantages of non?contact， automatic control， high?precision measurement， low cost， powerful function， etc. It has a wide application prospect and use value.

Keywords： ultrasonic wave； oil?level measurement； least square method

本文所讨论的超声波油位测量仪，传感器不直接接触被测原油，这种测量方法有很高的应用价值，特别是在中小型油田开采企业。安装投入低，采油场的每一口储油罐上都要安装一套超声波探测器，储油罐的总数量很大，所以，投入低对于油田来说是很有吸引力的。其次是安全可靠，原油有很强的挥发性，其挥发出的有很多是可燃性气体。测量精度高，储油罐横截面大，测量精度低，就会引起很大的测量误差。安装方便，超声波油位测量仪体积小，现场安装很方便[1]。

1 超声波油位测量仪的设计

超声波油位测量仪是根据“脉冲?回波测距”的原理设计的[2?3]。由超声波的发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收回波。测出从超声波发出脉冲串至接收到回波信号的传输时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的，所以根据时间和声速，就可算出测量距离[4?6]。

超声波油位测量仪的总体设计框图如图1所示。

图1 超声波油位测量仪系统框图

超声波油位测量仪由硬件和软件两部分组成。其中，硬件部分的研究重点是怎样提供超声波信号的工作稳定性；软件部分的研究重点是对原始数据的处理分析，相关软件算法的设计及运用。为了提高系统的稳定性，采用了一些抗干扰措施[1]。

2 硬件设计[1]

硬件功能包含：主要完成模拟电路以及数字电路部分，模拟部分包括超声波发射电路的设计以及超声波接收电路的设计，数字电路部分包括AT89S51单片机电路、通信部分和温度测量电路的设计。

2.1 超声波发射电路

如图2是超声波的发射电路，其中T1是超声波的发射探头，R3是与探头匹配的电阻，有减小超声波发射头的余振的作用，TRANS是升压变压器，初级与次级之比为1∶10。本文中使用的单片机系统电源电压为5 V，单片机发出来的激励脉冲信号为8个左右的5 V方波信号，方波信号经过三极管Q2，再经变压器放大升压以驱动超声波探头工作。

图2 超声波发射电路

2.2 超声波接收电路

从图3可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收专用芯片。

图3 超声波接收电路

2.3 串口通信电路

串口通信电路采用MAX 232芯片进行电平转换见图4。

2.4 温度测量电路

温度传感器电路相对简单，这里使用的温度传感器是DS18B20，它是一种数字传感器，直流5 V供电，单总线输出，上拉电阻R6=4.7 kΩ，单片通过一个I/O口即可读出数字温度值。如图5所示。

3 软件设计[1]

软件部分主要包括初始化模块、超声波激励信号的产生，回波信号的获取，原始数据的采样，多级数据分析，数据通信等功能。软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。

图4 串口通信电路

图5 温度测量电路

在连续N次测量之后，主程序进行数据处理模块。首先对N个测量值按照测量值的大小进行排序，然后从N个测量值中剔除越界数据，N个测量被剔除了越界数据之后，只剩下了M个有效值，对这M个有效值进行平均值算法，从而获得一个优化后的测量值。把这个优化后的测量值代入最小二乘法的经验公式中，计算得到最后的理想值，并通过串口发出如图6所示。

图6 主程序流程图

4 超声波油位测量仪实际测量效果[1]

4.1 超声波发射信号

超声波驱动电路激发超声波探头发出的超声波信号如图7所示。

图7 超声波发射信号示意图

4.2 发射信号与返回波信号叠加后的实验效果

超声波发射信号与返回波信号叠加后的实验效果示意图8所示。

5 结 论[1]

油位测量仪从串口发出的测量结果如下：

CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD

从串口发出的测量结果可以看出，测量的数据非常稳定，根据软件中定义的串口协议可知，CF为数据包头，06为数据包总长，02为指令号，03 E8 为测量数据，FD为数据包尾。以上数据包中的两字节数据基本上在03 E8左右波动一个单位，测量实际位置在1 m左右，根据测量结果计算出来的实际距离在1 m上下几个mm波动（十六进制03 E8转换成十进制为1 000，单位为mm）。符合实际测量要求。

图8 超声波发射信号与返回波信号叠加后的

实验效果示意图

参考文献

[1] 黄四青.基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现[D].南京：南京理工大学，2011.

[2] 崔艳.超声波油量测量仪的研究[D].天津：天津工业大学，2003.

[3] 白雪皎.超声波油量测量仪的研究[D].吉林：吉林大学，2006.

[4] 田晓娟.基于单片机的超声波淤泥界面检测系统的开发[D].济南：山东轻工业学院，2008.

第9篇：超声波的基本原理范文

【关键词】高压开关柜；局部放电；TEV检测；超声波检测

1.引言

目前，对开关柜设备局部放电（PD）的检测方法主要有脉冲电流法（ERA）、射频法（RF）、超声法、超高频法（UHF）、暂态对地电压法（TEV）等。脉冲电流法可以测定出局部放电的一些基本量（如：视在放电量q、局部放电脉冲大小、数量与相位），该技术成熟、应用广泛，但缺点是抗干扰能力差。射频法和超高频法可以实现开关柜局部放电的带电检测，但是不能给出局部放电量。超声波法抗干扰能力强且可以很好的实现放电源的定位。暂态对地电压（TEV）法作为一种带电检测技术，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，因此逐步在国内变电站推广使用[1]。本文分析了TEV及超声检测的原理，并自制TEV传感器，在实验室，搭建基于TEV与超声波检测的实验平台，通过示波器利用时间差法实现了局部放电源的精确定位。

2.TEV检测法的原理

2.1 暂态对地电压（TEV）

高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳[2]。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，该现象由Dr.John Reeves在1974年首先发现，并将其命名为暂态对地电压。

2.2 TEV技术基本原理

一般来说单芯10kV电缆的阻抗约为10Ω，35kV的金属外壳母线室的阻抗则约为70Ω，电缆或母线室发生局部放电产生持续10us的约100mA的弱电脉冲电流时，在金属外壳上会出现1～7V的对地电压。电压、电流脉冲沿开关柜金属外壳的内表面传播，遇开口、接头、盖板等处的缝隙传出设备，再沿着金属外壳的外表面传播至大地。目前TEV法检测设备大都采用电容性探测器来检测放电脉冲，其工作原理如图1所示。现有的局部放电检测方法常以脉冲电流法的视在放电量来表征局部放电活动的严重程度，但对TEV法来说，由于影响局部放电测量及放电量表征的因素较多，为了简单起见，在该方法中测试结果采用相对读数来表示。在局部放电过程中，局部放电信号在设备的金属封闭壳体上产生一个瞬时对地电压，可通过电容耦合传感器对其进行测量，得出局部放电的幅值和放电脉冲频率等参数。

3.超声波检测原理

发生局部放电时，在放电的区域中，分子产生剧烈的撞击，宏观上产生了声音，我们把频率大于20KHz的称为超声波。开关柜发生局部放电等缺陷时，其超声波发射频谱集中在20～100KHz。局部放电产生的超声波信号通过安装在柜体外壁的传感器接收，即超声波要从放电源传播到测量点才能被检测到，声波在传播中要衰减，频率越大，衰减越严重。超声波传感器的检测范围在很大程度上取决于其使用的波长和频率[3]。结合声波和周围环境中噪声的特点，我们选择的传感器为中心频率约为40KHz的接触式传感器，其具有较宽的检测带宽，使用超声耦合剂，增设60dB前置放大器，配合数字滤波器组成超声波检测电路具有较高的灵敏度，图2为放电源距离传感器30cm时超声波传感器接收到的针板放电局部放电的超声波信号图。

4.开关柜局部放电实验平台及局部放电信号检测

为了系统的研究开关柜中的局部放电，本文在开关柜试验平台上建立了一套基于TEV与超声波相结合的局部放电检测系统。

4.1 试验原理图

如图2所示，工频高压由YDTW15/150KV无晕工频高压试验变压器提供，高压的输出端串联一个10kΩ的保护电阻，以免试品击穿后电流过大损害变压器。C0为试验用的耦合电容器，Cx为装有针板放电模型的开关柜试品如图5，TEV传感器接示波器的CH1通道，超声传感器通过前置放大器之后在接示波器。其中TEV传感器为自己研制的传感器，其原理近似于耦合电容传感器，超声传感器为接触式超声传感器，传感器中心频率为40KHZ，检测频带比较宽，可以在宽频带范围内研究局部放电超声波信号，前置放大器其增益最大可调为60dB。经前置放大器处理的信号被传输到示波器。示波器采用YOKOGAWA的DL1540L型8位数字示波器。试验时，单次采样时间长度为一个工频周期，即20ms；采样率为5MS/s。示波器的4个通道分别采集超声信号与TEV信号。其中TEV信号作为触发用以控制信号采集起始时刻，还可以方便观察TEV信号与超声信号的时间差，便于局部放电源的定位。

4.2 局放TEV及超声波信号检测

在局部放电超声波检测和定位中，超声波信号的识别和声波在不同介质中的传播速度、衰减情况对提高检测的精度有非常重要的作用。我们在开关柜内设置针板放电模型如图3所示，模拟接近真实的放电环境进行实验，得出的结论更有实用性和参考价值。将TEV传感器吸附在开关柜体外壁上，超声波传感器用耦合硅胶贴在柜外壁，并用胶带固定保持一定的压力，接好检测电路，当所加电压达到5kV时，有局部放电产生，随着电压的升高，当所加电压达到约6kV时，放电较为明显并伴随有明显的“滋滋”声，移动传感器位置，并用四通道示波器观察输出脉冲信号。由于超声波在空气中衰减较小（50KHz的超声波常温衰减为0.98dB/m），空气中得到的检波脉冲信噪比较好。如图3所示，分别为TEV传感器（通道1）和超声传感器（通道2）接收到的信号，其中TEV传感器接收到的信号为触发信号。通道2显示的最左端较平滑的超声波脉冲与TEV传感器接收到的电信号之间有一定的时间差。移动超声波传感器位置，改变放电源和超声波传感器之间的距离，观察随着放电源和传感器之间距离的缩小，输出超声波脉冲会左移而靠近电脉冲信号，随距离的增大，超声脉冲右移而远离电脉冲。

由于声音反射以及通过不同介质传播，各种介质中的衰减强度和传播速度不一样，所以观察到的超声波脉冲没有电脉冲信号平滑。观察到的脉冲，还与传感器和放电源的位置角度有关，在一定的角度时，超声波发生全反射而接收不到。如图4所示，局部放电产生的超声波在空气中会沿不同方向传播，遇到柜体内壁会发生反射和吸收，传播过程中也会有不同程度的衰减。我们在不同位置设置超声传感器，分别观察示波器输出脉冲。路径1，即超声信号以在空气中最短的路径传播到铁柜内壁，再穿过铁皮到传感器。路径2为超声波从放电源通过空气直接到传感器位置，穿过铁皮进入传感器。由于超声波在空气和铁中的衰减情况和传播速度不一样，接收到的信号也有差异。常温下超声波在空气中的传播速度为340m/s，铁中大约为6000m/s，空气中衰减为0.98dB/m （50Hz），铁中21.5dB/（10MHz），衰减随频率的增加而增大。经试验获得的路径1与路径2的超声波波形图如图5、图6所示。由于空气比铁中衰减小速度小，所以有试验结果图可见路径2接收到的脉冲幅值比路径1大，距离TEV脉冲的时间差也比路径1大。由此可见我们在定位时取超声在介质中的传播速度时，应该考虑传播速度的衰减[4-5]，尽可能减少定位的误差。

5.结论

通过模拟基本真实的高压开关柜局部放电检测环境，搭建实验平台，获得了放电的TEV及超声波检波输出脉冲。通过对超声波传播路径及超声传播衰减的分析，得出传播速度的衰减对精确定位有一定的影响，对局部放电检测有一定的实践意义和参考价值。实验中观察到，超声传感器距离放电源较远时，信噪比还比较好，若选用灵敏度更高、接受面积大的超声波传感器，还可以提高检波电路的性能及定位的精度。

参考文献

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