許多儀器及控制應(yīng)用中均涉及到超聲波傳感器，尤其是在流量測(cè)量，材料無(wú)損檢驗(yàn)及物位測(cè)量等方面，超聲波傳感器的應(yīng)用尤為普遍。
廣義上來(lái)講，所謂超聲波傳感器是指那些能夠?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，發(fā)出頻率在聽力范圍以外的聲波的設(shè)備。根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用情況，產(chǎn)生的頻率也不同。如應(yīng)用在流量測(cè)量領(lǐng)域，聲波的頻率在30kHz到5MHz之間；應(yīng)用在物位測(cè)量領(lǐng)域時(shí)，聲波的頻率會(huì)低一些，一般在30kHz到200kHz之間；而當(dāng)應(yīng)用在檢測(cè)裝置（如測(cè)厚儀和探傷檢驗(yàn)裝置）上時(shí)，聲波的頻率范圍很廣，但是總體上來(lái)說(shuō)要比用于其它領(lǐng)域時(shí)高很多。
一套傳播時(shí)間式超聲流量計(jì)系統(tǒng)采用一對(duì)傳感器來(lái)測(cè)量管道中的液體流量。每個(gè)傳感器內(nèi)部裝有一個(gè)壓電晶體，可以將電脈沖轉(zhuǎn)化為在超聲波頻率范圍內(nèi)的機(jī)械聲脈沖，反之亦然。在測(cè)量過(guò)程中，傳感器交替的作為發(fā)射器或接收器工作。這對(duì)傳感器分別被安裝在管道的上下游位置，使得某一時(shí)刻上游傳感器產(chǎn)生的聲脈沖向流體下游傳播，并最終被下游的傳感器接收；而在另一時(shí)刻，聲脈沖則朝相反方向，即流體的上游方向傳播。上下游聲脈沖傳輸時(shí)間的差別是與被測(cè)介質(zhì)的流量成正比關(guān)系的。
基本設(shè)計(jì)
一個(gè)典型的用
于傳播時(shí)間式超聲流量計(jì)系統(tǒng)的傳感器由壓電晶體，外殼，阻抗匹配器及灌封劑組成。這樣設(shè)計(jì)的目的是最大化傳入流體介質(zhì)中的能量，消除回波影響，并衰減結(jié)構(gòu)中的鈴振現(xiàn)象，擴(kuò)大傳感器的使用帶寬。
為了將壓電晶體信號(hào)的衰減定量化，M.G. Silk在其所著的書中對(duì)超聲波傳播作了以下假設(shè)：
W = (ZD-ZA)(ZD-ZB)/(ZD+ZA)(ZD+ZB)
其中：
W=一次震蕩周期中的能量損耗的平方根或第n個(gè)周波和第n-1個(gè)周波振幅的比值
ZD=壓電晶體的聲阻抗
ZA=阻抗匹配器的聲阻抗
ZB=灌封劑的聲阻抗
根據(jù)實(shí)際選用的材料，傳感器可以設(shè)計(jì)成下列三種不同的類別之一：
■窄帶寬：壓電晶體的鈴振時(shí)間很長(zhǎng)，W>0.75
■中等帶寬：根據(jù)Silk的觀點(diǎn)，這一類型的傳感器可以使用在大多數(shù)的超聲波應(yīng)用場(chǎng)合中，W～0.3
■寬帶寬：短信號(hào)，W<0.1
傳感器應(yīng)用范圍：
■對(duì)于典型的火炬氣應(yīng)用（見圖），所有的傳感器都可以使用1/4波匹配技術(shù)，并采用金屬外殼對(duì)傳感器元件進(jìn)行密封以避免腐蝕性介質(zhì)對(duì)其的損壞。因?yàn)槁暡ǖ陌l(fā)射窗相對(duì)于100kHz聲波的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)很小，所以這一環(huán)節(jié)的能量損耗也非常小。
■對(duì)于典型的液體流量測(cè)量應(yīng)用，壓電晶體直接被粘結(jié)在金屬外殼上，而不需要任何的阻抗匹配層。 |
