超声波传感器的原理及应用

[导读] 随着自动化等新技术的发展,传感器的使用数量越来越大,一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中,尤其是自动化生产过程中,用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数,如温度、压力、流量,等等,以便使设备工作在最佳状态,产品达到最好的质量。

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1.引言

随着自动化等新技术的发展,传感器的使用数量越来越大,一切现代化仪器、设备都离不开传感器。在工业生产中,尤其是自动化生产过程中,用各种传感器来监测和控制生产过程中的各个参数,如温度、压力、流量,等等,以便使设备工作在最佳状态,产品达到最好的质量。

20世纪中叶,人们发现某些介质的晶体(如石英晶体、酒石酸钾钠晶体、PZT晶体等)在高电压窄脉冲作用下,能产生较大功率的超声波。它与可闻声波不同,可以被聚焦,能用于集成电路的焊接、显像管内部的清洗;在检测方面,利用超声波有类似于光波的折射、反射的特性,制作超声波纳探测器,可以用于探测海底沉船、敌方潜艇,等等。

现在超声波已经渗透到我们生活中的许多领域,例如B超、遥控、防盗、无损探伤,等等。

2.超声波的概念

人们能听到声音是由于物体振动产生的,它的频率在20Hz―20kHz范围内,称为可闻声波。低于20Hz的机械振动人耳不可闻,称为次声波;高于20kHz的机械振动称为超声波,常用的超声波频率为几十kHz至几十MHz。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)和纵向振荡(纵波)。工业中的应用常采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,但传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波频率较低,一般为几十kHz,但衰减较快;在固体、液体中传播频率较高,但衰减较小,传播较远。

3.超声波的特点

超声波的指向性好,不易发散,能量集中,因此穿透本领大,在穿透几米厚的钢板后,能量损失不大。超声波在遇到两种介质的分界面时,能产生明显的反射和折射现象,这一现象类似于光波。超声波的频率越高,其声场指向性就越好,与光波的反射、折射特性就越接近。利用超声波的特性,可做成各种超声波传感器,配上不同的电路,制成各种超声波测量仪器及装置,并在通信、医疗、家电等各方面得到广泛应用。

4.超声波传感器的原理

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器,由发送传感器、接收传感器、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的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能量并向空中辐射;接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。实际使用中,用作发送传感器的陶瓷振子也可用作接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比、稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器电源可用DC12V±10%或24V±10%。

5.超声波探头

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种,在检测技术中主要采用压电式。由于其结构不同,换能器又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头,等等。本文以固体传导介质为例,简要介绍以下三种探头。

(1)单晶直探头。俗称直探头,其压电晶片采用PZT压电陶瓷制作。发射超声波时,将500V以上的高压电脉冲加到压电晶片上,利用逆压电效应,使晶片发射出一束频率落在超声波范围内、持续时间很短的超声振动波,垂直投射到试件内。假设该试件为钢板,而其底面与空气交界,到达钢板底部的超声波绝大部分能量被底部界面所反射。反射波经过一短暂的传播时间回到压电晶片。再利用压电效应,晶片将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。

(2)双晶直探头。由两个单晶探头组合而成,装配在同一个壳体内,其中一片晶片发射超声波,另一片晶片接收超声波。双晶探头的结构虽然复杂一些,但检测精度比单晶直探头高,且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。

(3)斜探头。有时为使超声波能倾斜入射到被测介质中,可选用斜探头。压电晶片粘贴在与底面成一定角度的有机玻璃斜楔块上。当斜楔块与不同材料被测介质接触时,超声波产生一定角度的折射,倾斜入射到试件中去,折射角可通过计算求得。

6.超声波传感器的应用

超声波传感器应用在生产实践的不同方面,而医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害,方法简便,显像清晰,诊断的准确率高,等等,因而受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断是利用超声波的反射原理,当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时,在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时,回声在示波器的屏幕上显示出来,而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的高低。

在工业方面,超声波的典型应用是对金属的无损探伤、超声波测厚和测量液位等。过去,许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍,超声波传感器的出现改变了这种状况。超声波探测既可检测材料表面的缺陷,又可检测材料内部几米深的缺陷。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上,“悄无声息”地探测人们所需要的信号。

超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有许多其他方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰、酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)响应时间短,可以方便地实现无滞后的实时测量。

7.结语

超声波传感器应用起来原理简单,也很方便,成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点,比如反射问题、噪音问题、交叉问题,等等。本文简要介绍了超声波的概念、特点,分析了超声波传感器的原理,并给出了超声波传感器的几种典型应用,对今后对超声波传感器的进一步学习和研究有一定的参考价值和实用价值。

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