超声探测仪产品概述

第一节 产品定义及发展历程

超声探测仪是一种利用超声波技术来起到检测、测量作用的仪器。

上世纪我国根据工业发展的具体情况，对超声探测仪的研发及应用投入了大量的人力物力，使之在较短的时期内取得了显著的效果，不但满足了我国工业快速发展的需求，也使超声探测仪行业脱颖而出，逐步形成完整而独立的学科，使超声探测仪的应用从最初的被动选择形成一个积极和不断发展的新兴行业。

我国超声探测仪的应用推广，已走过了从幼稚到逐步成熟的四十余年历程，早期在我国物资匮乏的年代，主要应用于国产设备上，产量少价格低，技术粗糙。上世纪90年代初期，随着我国改革开放的深入发展，随着工业的迅速发展和民用行业发展的需要，国内各超声探测仪厂家相继开发了自身的超声探测仪系列，其工艺水平和产品质量都已成熟。

目前我国的超声探测仪经历了从无到用的发展历程，已经形成规模制造的完整行业体系，质量已于国外水平相差无几。

第二节 产品特点及应用领域分析

超声波穿透性较强．具有一定的方向性，传输过程中衰减较小。反射能力较强。它的应用广泛，可用于探伤、测量距离、测量厚度和自动控制等。

超声探测仪的应用：

1、测厚度

超声波检测厚度的方法是将超声波探头与被测表面接触，使探头发出超声波到达被测物体底面反射回来。该信号又被探头接收。发射与接收的超声波之间的时间问隔为t，这样被测物体的厚度即可用下式得到：h=et／2，式中c为超声波的传播速度。

2、测物位

在化工、石油、冶金及电力等部门中可用超声波测油位、水位、粉位。让超声波探头发射超声脉冲信号，当信号到达物位面（水、油、粉）后返回，并被探头接收，测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出物位的高度。

3、测流量

超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的，进而形成传播时间和相位上的变化，由此可求得流体的流速和流量。

4、其他

超声波检测的应用十分广泛，除上述应用外，还广泛用于无损检测，由换能器构成的声纳，可探测海底礁石和鱼群。另在医学上用于诊断病因，在建筑工程中用于探测混凝土的内部空洞、表面缺陷、裂缝深度，在考古上探测文物位置等。

第三节 产业链概述

一、在产业链中的位置

一种工业化产品要从图纸上的模型变为人们手中使用的实际器具，中间要经过多个环节：包括产品的研发，核心元件的生产，产品的加工组装，产品的销售，以及售后服务等。这些环节环环相扣，形成了一根完整的链条，它就被称为“产业链”。

在同一条产业链上，既有技术开发、产品设计这样的前端环节，也有原材料供应、生产制造这样的中间环节，还有品牌推广与市场销售这样的末端环节。虽然每个环节都是产业链条上必不可少的组成，但各环在整个产业链上的地位作用是不同的。前端的研发和后端的销售会对整条链起到决定性的控制作用，而中间的制造环节则处于被动的受控制地位。

目前我国超声探测仪处于产业链中端位置，受上游元器件及国外同行业具有先进技术研发力的企业的制约较大。

二、相关行业简述

1、电子元器件制造业

电子元器件制造业是电子信息产业链条中十分重要的一个环节。我国目前已经成为电子元件生产大国。2007年以来，我国电子信息全行业一直保持平稳发展，增速呈逐月小幅上升趋势，电子元器件行业也一直保持较快发展，高出全行业平均发展水平。2007年中国电子元器件市场需求达到1005亿美元，约占国内电子信息产品总市场的46.7%，占世界电子元器件市场的份额为24.2%，仍然保持世界第一大元器件市场的地位。2007年中国半导体市场出货上升到515亿美元，相比2006年的448亿美元增长15%。平板电视、3G和便携数码产品成为半导体应用市场的大热门和上升的主要动力。预计2008年中国半导体市场将扩大12%，年收入将上升至580亿美元。2007-2011年这5年间，中国集成电路产业销售收入的年均复合增长率将达到27.7%。到2011年，中国集成电路产业销售收入将突破3000亿元，达到3415.44亿元。届时中国将成为世界重要的集成电路制造基地之一。

尽管我国关键元器件和电子材料产业发展迅速，但是仍存在亟待解决的问题：目前我国电子元件行业中大、中、小企业的结构不合理，中小企业多，尚没有国际级的大公司。即使是元件百强企业中的大公司，核心竞争力也还很弱，在技术创新能力、多样化经营能力、适应市场能力和赢利能力等方面都与发达国家的大企业存在较大差距。未来电子元件行业将在上述方面做出改进。

电子元件行业是整个电子信息产业的基础，大力发展核心基础产业已经成为信息产业“十一五”期间的重点工作。“十一五”时期，在电子元器件方面，力争使集成电路、新型元器件等核心产业的规模翻两番，产业链进一步向上游延伸，元器件、材料、专用设备国内配套能力得到显著增强，集聚优势资源，形成一批在全球具有特色和影响力的产业基地和产业园，以及一批效益突出、国际竞争力较强的优势企业。预计到2010年，我国电子元器件总产量将达到30000亿只，销售收入达到2.6万亿元，阻容感片式化率达到90%。电子元器件国际市场占有率达到30%，国内市场占有率达到50%。新型显示器件产业具有较强的国际竞争力，建立起以企业为主体，产学研相结合的创新体系，形成可持续发展能力。逐步提高国产化水平，实现中、高档产品满足国内市场需求的50%以上，中、低档产品基本满足国内市场的需求。

2、化工行业

我国的化工行业总利润1978年为169.7亿元，2007年则超过5300亿元，30年平均增速超过15%%。目前，我国已经成为世界第二大化工生产国和消费国。在这30年的中，中国化工行业大力推行自主创新，积极开展国际合作，高度重视节能安全环保工作，已经具备了相当的发展规模。

近年来，我国石油和化工业已形成门类齐全、基本适应国民经济发展的产业体系，中国已成为名副其实的化工生产大国和消费国。统计显示2007年，我国石油化学工业总产值达4.2万亿元，同比增长26.7%；工业增加值1.2万亿元，增长23.6%。但在市场需求的强劲拉动下，中国石化工业的发展远远不能满足当前国内巨大的市场需求，石化产品的进口增幅也在不断上升。

2007年，中国化工行业的投资、产值仍保持在高位增长阶段。市场人士认为，市场需求继续扩大、制度环境不断改善、比较优势依然存在、产业发展资金充裕、基础条件明显改善、中国经济更加开放等因素，支撑中国石油和化工行业仍有巨大的发展空间。

伴随着国际油价的跌宕起伏，2008年对于化工行业来说注定是不平静的一年。前期高油价带来的成本大幅上升尚未消化，接踵而至的全球性金融危机带来的需求大幅降低正深刻影响着整个化工行业。为了保增长、扩内需，我国进一步明确了“双松”的财政与货币政策，在此政策的强烈刺激下，预计从明年二季度开始，我国经济将逐步恢复增长动力，化工行业景气度将逐步上升。

3、冶金行业

2008年冶金行业基本运行情况如下：2008年，全国粗钢产量50049万吨，比上年增长1.1%，增幅同比回落14.6个百分点，自9月份开始连续4个月产量同比下降；钢材产量58177万吨，比上年增长3.6%，回落19.1个百分点，自8月份开始连续5个月产量同比下降。铁矿砂进口44356万吨，增长15.9%。钢材出口5923万吨，下降5.5%；进口1543万吨，下降8.6%。

钢材价格先涨后跌。国内市场钢材价格综合指数年初开始持续上涨，7月上旬达到162.26点的历史最高水平，比年初上涨29.7%；之后逐步回落，特别是10月份以后快速下滑，11月末降至102.3点，比最高点下跌37%。部分主要钢铁企业根据市场变化，及时调整了生产节奏，钢材价格止跌企稳。12月末，国内市场钢材价格综合指数103.3点，比11月末回升1点，同比下降21.82点。年末，6.5mm盘条、10mm中板和0.5mm冷轧薄板价格分别为3589元/吨、3863元/吨和4668元/吨，比年内最高价下跌39.2%、43.2%和37.7%，同比下跌20.7%、25.8%和19%。1-11月，冶金行业累计实现利润2481亿元，同比增长9.2%，增幅比1-8月回落47.9个百分点。

4、石油行业

2008年石油产量保持增长，成品油收率进一步提高。据统计局数据，全年累计生产原油18973万吨，同比增长2.3%。原油加工量34207万吨，同比增长3.7%。汽油产量6348万吨、柴油产量13324万吨，同比分别增长5.8%和8%。据行业统计，前三季度累计汽、煤、柴油收率同比提高0.7%。四季度受乙烯等石化下游产品市场供需状况影响，成品油收率明显升高，比前三季度提高2.8%，同比上升3.2%。

石油产品进口大幅增长，消费对外依存度继续提高。据海关统计，全年进口原油17888万吨，增长9.6%。全年进口成品油3885万吨，同比增加506万吨。成品油出口1703万吨（主要是航空煤油和5-7号燃料油），同比增加9.8%，其中汽油出口204万吨，下降56.2%。据行业统计，原油消费对外依存度47.9%，比上年提高1.3个百分点。全年石油消费对外依存度达到49.8%，比上年提高1.4个百分点。

成品油消费四季度大幅下降，消费柴汽比明显回落。据行业统计，全年成品油消费20494万吨，同比增长10.2%，其中前三季度增长15.2%；四季度下降3.6%，其中柴油下降8%。消费柴汽比由4月份最高的2.66下降到11月份最低的1.86。

天然气产销保持较快增长。据行业统计，产量776亿立方米，同比增长11.5%；进口液化天然气（LNG）42亿立方米，增长5%；供香港29亿立方米，增长13%；表观消费量789亿立方米，增长11.2%。

国际市场油价剧烈波动。2008年国际市场石油价格大起大落，呈现少有的剧烈波动状况。布伦特油价全年平均为98.4美元/桶，同比上涨35.4%。从运行区间来看，四个季度分别为96.5美元/桶、123美元/桶、116.9美元/桶和57.2美元/桶。7月份国际油价达到创纪录的147美元/桶，到12月则跌破了40美元/桶，降幅超过70%。国际油价剧烈波动对国内成品油市场产生了巨大影响，前期国内外成品油以及国内原油、成品油价格倒挂，社会资源供应减少，出现囤油投机现象，社会库存增加，造成成品油表观消费增幅虚高。9月份后市场发生逆转，表观消费大幅回落。

2009年，世界金融危机继续向实体经济蔓延，主要发达经济体走向衰退的风险加大，新兴国家经济增长趋缓。受多种因素影响，国内成品油供求变化仍存在较大不确定性。预计2009年成品油消费增长率可能会处于较低水平，其中上半年消费量低于去年同期。随着扩大投资、增加内需、促进增长各项措施效果的逐步显现，成品油消费将出现回升，供大于求的矛盾将得到缓解。

第二部分 超声探测仪产品生产技术发展趋势分析

第一节 产品生产技术发展现状

超声波探测仪一般由发射器、接收器和报警显示装置组成，这里采用的传感器是超声换能器，通常出售的超声换能器在40kHz具最佳转换效率。利用电容传声器和振动膜片性能优良的扬声器也可作为传感器用。超声波发射器不是单独发射一个个的脉冲，而是一串串几个脉冲的脉冲串，并对测量逻辑电路提供一个短脉冲；超声接收器接收发射器发射的脉冲串，同样也对测量逻辑电路提供另一个短脉冲。再利用双稳电路把上述的两个短脉冲转换成一个方脉冲。测量这个方脉冲的宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。

超声探测仪组成

第二节 产品生产工艺特点或流程

探测仪电路由超声发射电路，超声接收电路与检测报警电路组成。

1、超声发射电路

超声渡发射电路

（1）555振荡器

时基电路555组成40kHz振荡器，它的振荡受复位端R电平的控制，当R=0时，振荡器停振；当R=1时，振荡器振荡。而R的电平受SR双稳态电路的控制。555的振荡频率为：

调整RPI可使振荡频率接近40kHz，又可使振荡强度改变（因为换能器接收40kHz的超声波其效率最高）。

（2）SR双稳电路

SIR双稳电路由四或非门4001组成。其R端接6分频电路4017的输出端“5”（即1脚），S端则由低频脉冲发生器的输出控制。

（3）低频脉冲发生器

该脉冲发生器由或非门4001组成，这个电路是在典型振荡器基础上加了D的R，它使电路处于高电平时间缩短，所以其输出波形是一系列短促的窄正脉冲，这点是很重要的，因为双稳态电路比较简单，只有对不重叠的“位置”和“复位”脉冲才能正常工作。其振荡频率约为：

（4）6分频器

6分频器即除6电路它由十进制计数器4017组成。4017输入CP脉冲（即40kHz脉冲信号）时，当复位端（15脚）R=0，时钟禁止端（13脚）CI=0时，其10个输出端子依次不重叠地输出一个正脉冲。

除6电路是这样组成的，它将输出“5”（1脚）与R相联。当40l7输出“5”时，这个正脉冲将复位端R置1，使计数器复零。由下图可以看出，当第6个CP脉冲来临时，“5”端（1脚）输出1个正脉冲，将R端置“1”，这时4017输出为0（4017正常计数时，必须使R=0）。每6个CP脉冲，“5”端才输出1个脉冲，形成了除6电路，电路每发出5个脉冲串，便停振一段时问，每秒钟有好几个脉冲串产生。

下图中左右侧分别为发射器和接收器中4017电路的波形，而且这两列波形不是在同一个端子输出的。但是它们的波形完全相同。

6分频电路输出波形图

2、超声波接收器

超声波接收器由交流放大器、触发器、6分频电路和SR双稳电路组成，如图4所示。接收器中的换能器可为电容传声器。发射器发射的超声波被物体反射后，再被换能器接收。即换能器的振动膜受到振动后，转换成同频（40kHz）的电信号，输入到交流放大器中去。

（1）交流放大器

交流放大器由VTl和VT2组成，它们是共射极电路，每级的增益都在0dB以上。放大器将被转换的电信号放大到一定幅度，因为超声波被反射后有一定的衰减。

（2）触发器

由IC4组成的触发器，事实上也是一个比较器，其参考电压由R11和R13分压确定（为4.5V），该参考电压加在反相端上。接上R13产生很小的滞后。

（3）6分频电路

这里的6分频电路同发射器中的6分频电路。

（4）输出双稳电路

该电路也是由或非门4001组成，为RS型，其R端由接收器中的4017输出（1脚）馈入；S端同发射器中的4017（1脚）馈入。参见上图中的S和R波形。S脉冲为发射器中的40l7输出，R脉冲为接收器中的4017输出，这两个脉冲的时间间隔即为超波发射和接收的时间间隔。S脉冲和R脉冲分别输入到输出双稳电路的S端和R端即可得到输出脉冲，这个脉冲的宽度为超声波发射和接收的时间间隔，它的宽度和被探测物的距离成正比。因此，取输出脉冲的电压平均值或测量输出脉冲的宽度和被探测物距离。

超声渡接收电路

3、报警电路

报警电路如下图所示。由R14和C6组成简单的滤波电路，将输出方波经滤波后变得平滑一些再输入到IC7组成的斯密特触发电路。同样，R17也使电路产生少许滞后现象，因此该电路能可靠地触发并且没有杂音。由于迟滞现象的影响，停止报警所处的距离稍大于激发报警时所处的距离。

报警电路

利用IC6还未利用的两个或非门IC6c和IC6d组成无稳态电路，其工作频率为：

这可以使扬声器发出响亮的声音，使人们得到被测物距离的报警信号。

该装置可以探测4～5m的距离，探测距离不仅取决于发射功率，而且还取决于目标的性质。例如，大而平的物体其反射能力大，探测距离亦大，反之距离减小。

第三节 国内外生产技术发展趋势分析

1、无损检测技术向高准确度、高可靠性方向发展

20世纪70年代以来，超声检测的数宇化、自动化、智能化和图象化成为超声无损检测技术研究的热点，标志着超声无损检测的现代化进程。近年来，随着传感技术、电子技术、自动控俐技术、记算机技术的发展，现代无损检测技术已经进人到以计算机控制为主的信息加工时代。表现在：生产过程实时监控和产品运行过程的监督(如对轧钢的生产线的监控)。对涂有各种厚度的防腐材料和保温层的工程检测技术：能自动扫描、自动定位与跟踪检测对象的各种检测机器人：对缺陷的自动识别与记算机模拟技术的深入研究等。其中计算机模拟或仿真技术就是可以不通过制造试件(顶埋有各种人工与自然缺陷).获得各种缺陷信号。采用计算机软件方法模拟检测过程，要对检测系统的结构与缺陷参数建立准确的数学模型比较困难，所以在实际生产中应用还相当少。

国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。无损探伤(NondestructionInspectionNDI)、无损检测(NondestrutuvetestingNDT)和无损评价(NondestructionEvauationNDE)是无损检测发展的三个阶段。超声无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的内部缺陷，以满足工业设计中的强度要求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声无损评价是超声检测发展的最高境界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。

无损检测的另一个发展是从一般无损评价向自动无损评价和定量无损评价发展(即从NED向ANED和QNED发展)。逐步减少人为因素的影响，改用计算机进行检测和分析数据，以提高检测的可靠性。

2、超声检测仪器的应用与发展

超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器——数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。

超声检测仪器将向数字化、智能化、图象化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图象化超声仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krautraemer公司、美国Panametrics公司、丹麦ForceInstitutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。

现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人，移动速度约60m/h，重约140kg，采用16个超声探头可以对运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK公司研制的机器人借助管道内液体推力前进，可以测量输油管道腐蚀状况，其检测精度小于1mm。丹麦Force研究所的爬壁机器人，重约10吨，采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。

3、超声成象技术

超声成象技术是在电视技术、计算机技术和信息技术的基础上发展起来的，经历了一个漫长发展历程。早在20年代，人们就开始探索超声成象的原理及方法，使超声成象成为最早实现的超声无损检测技术。其后由于技术上的原因，早期的超声成象检测技术很快被其它超声无损检测技术所取代。20世纪60年代，激光的发明和光学全息技术的成就极大地刺激了人们对声象研究的兴趣。然而，在声学领域，简单地模仿光全息等光学成象方法遇到了极大的障碍，迫使人们在新技术基础上，根据声波的特点，发展出以扫描成象技术为主流的各种新成象方法。

在现代无损检测技术中，超声成象技术是一种令人瞩目的新技术。超声图象可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质，有着非常广阔的发展前景。现代超声成象技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成象系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图象化的进程。现代超声成象技术大多有自动化和智能化的特点，因而有许多优点，如检测的一致性好，可靠性、复现性高，存储的检测结果可随时调用，并可以对历次检测的结果自动比较，以对缺陷做动态检测等。总之，超声成象技术克服了传统超声检测不直观、判伤难，无记录的缺陷，减少了检测中人为干扰，有效地提高无损检测的可靠性，是定量无损检测的重要工具。

目前已经使用和正在开发的成象技术包括:超声B扫描成象，超声C扫描成象、超声D扫描成象，ALOK(德文“振幅—传播时间—位置曲线”的缩写)成象，SAFT(合成孔径聚焦)成象，P扫描成象，超声全息成象，超声CT成象等技术。