淺析超聲波傳感器工作原理及其在流量測(cè)量等領(lǐng)域的應(yīng)用

從1793年最早發(fā)現(xiàn)超聲波的意大利科學(xué)家斯帕拉捷從蝙蝠的身上發(fā)現(xiàn)了超聲波的存在開(kāi)始，人們對(duì)于超聲波的認(rèn)識(shí)和研究越來(lái)越深入，因?yàn)槌暡ň哂械莫?dú)特的特性，使得超聲波傳感器越來(lái)越在生產(chǎn)生活中體現(xiàn)了其重要性。在科技飛速進(jìn)步的今天，更是在生活和生產(chǎn)的許多領(lǐng)域都得到了大量的應(yīng)用，發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)本文介紹，讀者不僅可以了解到超聲波與可聽(tīng)聲波的區(qū)別，了解超聲波傳感器工作的原理，也會(huì)對(duì)于超聲波傳感器(比如外夾式超聲波流量計(jì))在管道流量測(cè)量，醫(yī)療，工業(yè)生產(chǎn)，液位測(cè)量，測(cè)距系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到的廣泛的應(yīng)用有更為深入的認(rèn)識(shí)。

一、超聲波傳感器概述
學(xué)過(guò)物理的朋友都知道，聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒的振動(dòng)頻率次數(shù)很高，超出了人耳聽(tīng)覺(jué)的上限，人們將這種聽(tīng)不到的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰退。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽(tīng)聲波的規(guī)律并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽(tīng)聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性——超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，這一特性就越顯著。功率特性——當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。
由于超聲波平率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的，空化作用-當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體威力的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞，這些小空洞迅速膨脹和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，回事液體的文都驟然升高，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。
由上我們可以得到以下關(guān)于超聲波的特點(diǎn)：（1）超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能易于集中；（2）超聲波能在各種不同媒體中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離；（3）超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。
　　
二、超聲波傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)組成。
　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為手段，必須產(chǎn)生超聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接受超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械震蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接受到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)換成電能，所以它可以分成發(fā)送器和接收器。
有的超聲波傳感器由發(fā)送傳感器（或稱波發(fā)送器）、接受傳感器（或稱波接收器）、控制部分與電源組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接受波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè)。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。
　　
三、超聲波傳感器在生產(chǎn)與生活中的實(shí)際應(yīng)用

　1、超聲波在管道流量測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用
超聲流量計(jì)和超聲波流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無(wú)阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。潤(rùn)中儀表科技有限公司生產(chǎn)的RZ-1158C時(shí)差型外夾式超聲波流量計(jì)就是其中典型的代表產(chǎn)品，此類產(chǎn)品由于其方便快捷的特點(diǎn)在市場(chǎng)上大放異彩。
外夾式超聲波流量計(jì)采用時(shí)差式測(cè)量原理：一個(gè)探頭發(fā)射信號(hào)穿過(guò)管壁、介質(zhì)、另一側(cè)管壁后，被另一個(gè)探頭接收到，同時(shí)，第二個(gè)探頭同樣發(fā)射信號(hào)被第一個(gè)探頭接收到，由于受到介質(zhì)流速的影響，二者存在時(shí)間差Δt，根據(jù)推算可以得出流速V和時(shí)間差Δt之間的換算關(guān)系V=(C2/2L)×Δt，進(jìn)而可以得到流量值Q。



2、超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用。
　　超聲波傳感器包括三個(gè)部分：超聲換能器，處理單元和輸出級(jí)。首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì)，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)，處理單元對(duì)接受到的超聲波脈沖進(jìn)行分析，判斷收到的信號(hào)是不是所發(fā)出的超聲波的回聲，如果是，就測(cè)量超聲波的行程時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物變化方向發(fā)射超聲波，就可測(cè)量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)射器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)射和接受聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
　　
3、超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。
　　超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。
　　
4、超聲波傳感器在測(cè)量液位的應(yīng)用。
　　超聲波測(cè)量液位的基本原理是：有超聲波探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位的高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它法方不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)；（2）其影應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)習(xí)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。
　
5、超聲波傳感器在測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用。
　　超聲波測(cè)距大致有以下方法：1.取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；2.測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，固被測(cè)距離為s=1/2vt。如果被測(cè)精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波距離適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。

四、文章結(jié)語(yǔ)
　　本文討論了超聲波傳感器的原理與特點(diǎn)，并由此總結(jié)了超聲波傳感器在生產(chǎn)生活各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用，比如用于管道流量測(cè)量的外夾式超聲波流量計(jì)。但是，超聲波傳感器也有自身的不足，比如發(fā)射問(wèn)題，噪聲問(wèn)題的等等，這些相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)仍然需我進(jìn)一步地加以優(yōu)化，與超聲波產(chǎn)品配套的相關(guān)基礎(chǔ)性研究仍然有進(jìn)一步拓展延伸的空間，因此對(duì)超聲波傳感器的更深一步的研究與學(xué)習(xí)，仍具有很大的價(jià)值