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
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。
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
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