超聲波傳感器及其應用

趙衛(wèi)星

摘 要：本文主要介紹了產(chǎn)生波技術和超聲波傳感器的構成并分析了超聲波傳感器在測距離、測流量、側厚度及材料探傷等方面的應用。超聲波具有頻率高、波長短、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點使得超聲波在傳感器方面得到了廣泛的應用。具有一定的研究價值。

關鍵詞：超聲波技術;超聲波測距;超聲波側厚度;超聲波測流量;超聲波探傷

隨著科技的發(fā)展。傳感器在我們的生活中已隨處可見，傳感器技術的發(fā)展為科技的進步起到了極大的推動作用。超聲波傳感器以其方向性強、能量易集中等特點在機械工業(yè)、流量測量、醫(yī)療等方面得到了廣泛的應用。

1 超聲波技術

超聲波技術是集物理學、機械、電子學和材料學多門學科為基礎的技術，主要研究超聲波的發(fā)射、傳導和接受。人耳能聽到的聲波頻率具有一定的范圍，高于人耳能聽到的范圍的聲波成為超聲波，超聲波的傳導與傳導介質和彈性特征有關。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。目前超聲波技術廣泛應用于機械工業(yè)、超聲焊接、和超聲醫(yī)療等方面，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟利益。

2 超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波技術研發(fā)的一種傳感器，超聲波傳感器的主要組成部件是既可以發(fā)射聲波又可以接受聲波的壓電晶片。用作探測的超聲波傳感器具有不同的結構，可分為直探頭、雙探頭、斜探頭等。構成壓電晶片的材料、厚度也各不相同。

3 超聲波測距

超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器發(fā)射聲波，當聲波遇到障礙物時返回，通過聲波的傳導速度和返回的時間計算出發(fā)射器距障礙物的距離，這就是時間差測距法。超聲波也是一種聲波，其傳播速度與溫度、壓強等因素有關，但在溫度變化不大的時候可以忽略溫度的影響。如果對測距的要求較高，應當采用溫度補償?shù)姆椒ㄟM行校正。

4 超聲波測厚度

超聲波側厚度的常用方法有脈沖回波法、共振法、干涉法等。脈沖回波法測厚度的原理是：超聲波探頭與被測物體的表面接觸，主控制器產(chǎn)生一定的脈沖信號，由接受放大器將信號放大，通過探頭傳到被測物體表面并反射回來，被同一探頭接受。通過聲波在物件中的傳播速度、試件的厚度及時間即可求出被測物件的厚度。時間間隔可由將發(fā)射脈沖和接受脈沖加至示波器的垂直偏轉板上求得。

5 超聲波測流量

超聲波測流量的是利用超聲波在靜止流體和流動流體傳播速度不同的原理測得流體的流速和流量。超聲波測流量的方法有：時差法測流量、相位法測流量、頻率法測流量等。常使用的工具是超聲波流量計。超聲波流量計屬于非接觸式流量計，適用于不易接觸和觀察的流體和大管徑流量。超聲波流量計不用在流體中安裝測流原件，不會對流體造成阻力影響，此外，超聲波流量計幾乎不受流體溫度、壓力、年度、密度等因素的影響，可以保證測量的精確度，因此非常適合工業(yè)生產(chǎn)過程。

6 超聲波探傷

超聲波探傷是一種探測材料是否存在雜質、氣孔、裂紋等缺陷的檢測手段。透射法探傷是根據(jù)超聲波穿透被測件后能量的變化來判斷被測件內部是否存在缺陷。工作原理是：將超聲波發(fā)射探頭和接受探頭放在被測件的兩側，并且在一條直線上，當被測件內部無損傷時，接受的能量最大;當被測件內部有損傷時，因內部能量被反射，接受到的能量偏小。

總結：超聲波傳感器結構簡單、使用方便、成本較低，因此在各行業(yè)廣泛使用。但目前傳感器仍具有一定的缺點：壓電材料的居里點一般比較高、超聲探頭在高溫環(huán)境工作時需要制冷設備、靈敏度主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高;反之，靈敏度低等。

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