超聲波的概念

從物理學(xué)的角度來看，聲波屬于聲音的類別，是機(jī)械波中的一種，人類能聽見的聲波，頻率范圍為16Hz至20KHz。若聲波的頻率低于16Hz時(shí)就叫做次聲波，如果高于20KHz，我們則稱為超聲波聲波。超聲波因?yàn)槠渥畹皖l率大約等于人的最高聽覺頻率而得名。超聲波方向性能好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測量距離和速度、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。聲波按原理劃分，可以分為檢測超聲和功率超聲。在醫(yī)學(xué)、軍事、工農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用，聲波是物體作機(jī)械振動(dòng)，傳播能量的一種形式，所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。比如，鼓面經(jīng)敲擊后，鼓面上下振動(dòng)，振動(dòng)狀態(tài)通過空氣，液體或者固體向周圍傳播，就產(chǎn)生聲波。高于20KHZ頻率的聲波，人類是聽不見的，人們把其叫做超聲。超聲和可聽見聲其實(shí)是是一致的，它們的主要特點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，是能量的傳播形式。不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定范圍內(nèi)，直線傳播具有優(yōu)良的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在2MHZ到5MHz之間，最常用的為3NHZ到3.5MHz（質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)1次為1Hz，1MHz=10^6Hz,即每秒振動(dòng)達(dá)100萬次）

超聲波的特性

1、超聲波在液體中傳播時(shí)，在界面上能產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。

2、超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。

3、超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

4、聲波可傳播較強(qiáng)的能量。

超聲波效應(yīng)的利用

超聲檢驗(yàn)

超聲波頻率高波長短，具有較好的方向性，能穿透不透明物質(zhì)，超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)就是利用這一特性而做成。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術(shù)）。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀察。

超聲處理

利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。

超聲流量流速傳感器中的應(yīng)用

超聲波傳感器利用超聲波檢測技術(shù)，將檢測到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器，一般分為兩類：

第一類是利用流速的變化的時(shí)間差法，頻率差法，相位差法，其基本原理都是通過檢測超聲波在順逆流的液體中的傳播時(shí)差來反映流速所以又稱之為傳播速度差法。時(shí)差法和頻差法消除了溫度對檢測的影響，測量精度高，廣泛被使用；

第二類是利用超聲波隨流速而發(fā)生偏移，而反映的流速，稱之為多普勒超聲波流速法。向明渠的液體中發(fā)射超聲波，超聲波在流動(dòng)的液體中載上流速，再用接收探頭也就是換能器將信息傳送到微處理器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后得到流速。

超聲波傳感器是非接觸測量儀器，不阻礙液體的流動(dòng)，具有很高的測量精度。

超聲波流速傳感器的分類與原理

多普勒法的原理

多普勒頻移法的原理是基于聲波的多普勒原理，當(dāng)聲源與接收器發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的聲波頻率會(huì)隨之發(fā)生頻率變化。當(dāng)聲源產(chǎn)生的波(聲波、電磁波、光波等)向接收方向傳播時(shí)，接收者接收波的頻率會(huì)增大；當(dāng)波源背離接收者的方向傳播時(shí)，接收者接收波的頻率會(huì)減小。當(dāng)觀察者相當(dāng)于聲源有相同的移動(dòng)時(shí)，同樣可以得出這種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。由于在明渠流體中含有固體顆粒，固體顆粒可以反射超聲波，超聲波的頻率隨著水流的流動(dòng)產(chǎn)生相對接收者不同的頻率聲波，通過對頻率與流速之間的關(guān)系，從而獲取流速。測量原理圖如下。

相位差法

直接時(shí)差法原理以及算法改正

為流速方向和超聲波傳播方向的夾角，當(dāng)為銳角時(shí)，稱之為順流；當(dāng)為鈍角時(shí)，稱之為逆流。超聲波信號(hào)在動(dòng)態(tài)介質(zhì)(流體)中，與靜態(tài)介質(zhì)(流速為零)相比，順流時(shí)信號(hào)傳播速度增加，傳播時(shí)間減小，同樣逆流時(shí)超聲波信號(hào)傳播速度減小，傳播時(shí)間增加，從而順逆流方向超聲波信號(hào)傳播時(shí)間存在一個(gè)差值(即時(shí)差)。利用超聲波在橫向穿過流動(dòng)的液體時(shí),在其順流和逆流介質(zhì)中,其超聲波的速度有差異而形成速度差(時(shí)間差)。圖中，A和B分別為兩個(gè)超聲波換能器，V為液體流速，H為明渠寬度，θ 超聲波進(jìn)入液體的入射角。t1為換能器A發(fā)射、B接收時(shí)，超聲波在明渠中傳播時(shí)間，即順流時(shí)間；t2為換能器A，B接受時(shí)，超聲波在明渠中傳播時(shí)間，即逆流時(shí)間。

具體方法如下:當(dāng)從A到B順流發(fā)射超聲波時(shí)，聲波基本上順流傳播，速度快時(shí)間短，其傳播時(shí)間為:

t1 = L /( c +v*cos)

當(dāng)從B到A逆流發(fā)射超聲波時(shí)，逆流傳播、速度慢、時(shí)間長，即：

t2 = L /( c－v*cosθ)

式中: L為2個(gè)換能器之間的距離; c為超聲波在靜止的流體中的流速; v為被測流體的平均流速;θ 為2個(gè)超聲波換能器線與管道所夾的銳角。

兩種方向傳播的時(shí)間差Δt為:

Δt = t2－t1 = 2Lvcosθ/( c2－v2 cos2θ)

由于v＜＜c，v2 cos2θ 可忽略，故有Δt = t2－t1 = 2Lvcosθ/c2

即v = c2Δt /( 2Lcosθ

L=

當(dāng)流體中聲速c為常數(shù)時(shí)，流體的流速v與Δt成正比，測出時(shí)間差即可以求出流速v，進(jìn)而得到流量。值得注意的是，一般液體中聲速往往是在1 500 m/s左右，而流體流速只有每秒幾米，如要求流速測量的精度達(dá)到1%，則對聲速測量的精度需為

～數(shù)量級(jí)，這是難以做到的，更何況聲速受溫度的影響不易被忽略，所以該方法不易實(shí)現(xiàn)流量的精確測量。文中提出另一種測量方法，速差法，可以有效解決以上問題。

速差法測流量的測量原理為:當(dāng)從A到B順流發(fā)射超聲波時(shí)，

c + v*cosθ= L /t1

從B到A逆流發(fā)射超聲波時(shí)，

c－v*cosθ= L /t2( 7)

因此2vcosθ= L /t1－L /t2 = L( t2－t1) /( t1 t2)

設(shè)順流和逆流的時(shí)間差為Δt = t2－t1，所以

v = LΔt /［2t1(Δt + t1 cosθ

由上式可見，流體的流速v與聲速c沒有直接關(guān)系，從而避免了測聲速c的困難，同時(shí)這種方法還不受溫度的影響，容易得到可靠的數(shù)據(jù)。

頻率差法

頻率差法是在相位法和直接差法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的被測流體內(nèi)有兩個(gè)通道，順流和逆流通道，一個(gè)通道順流發(fā)射超聲波，另一個(gè)逆流發(fā)射超聲波。

順流發(fā)生超聲波時(shí)，接收到的超聲波頻率既；

逆流發(fā)射超聲波時(shí)，接收到的超聲波頻率既；

頻率差，

明渠流速。

頻率差法測流速公式中不含超聲波速度C，故受溫度的影響小，測量效果比相位法精確。

超聲波傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

適用頻率范圍小

現(xiàn)在的超聲波傳感器頻率都相對固定，例如40KHz的傳感器，只能用在38-42KHz上。目前幾乎見不到頻域范圍廣的傳感器，例如40KHz~500KHz這樣的產(chǎn)品。

驅(qū)動(dòng)電壓高

超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電壓一般在100Vp-p到1500Vp-p之間，在很多低壓設(shè)備上需要脈沖變壓器升壓，這樣會(huì)帶來一些不必要的麻煩。減小超聲波傳感器的適用范圍。

靈敏度小

主要由于超聲波傳感器多采用壓電陶瓷材料的原因，其材料的限制導(dǎo)致了靈敏度無法達(dá)到其他傳感器的精確靈敏度。

適用距離范圍小

由于超聲波頻率高所以在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減快，所以超聲波傳感器的傳播距離較短，無法達(dá)到

超聲波傳感器在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

超聲波位置傳感器

超聲波位置傳感器采用超聲波回波測位原理，運(yùn)用時(shí)差測量技術(shù)，檢測傳感器與目標(biāo)之間的距離，采用小角度、小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量準(zhǔn)確、無接觸、防水、防腐蝕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于液位、物位、料位檢測等。

超聲波位置傳感器的基本原理是：系統(tǒng)由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到被測物體經(jīng)反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，再根據(jù)介質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到被測物體之間的距離，從而確定位置。考慮到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ蕴岣邷y量精度。計(jì)算公式為

式中：s為被測距離；為發(fā)射超聲波脈沖與接收其回波的時(shí)間差；為超聲回波接收時(shí)刻；幻為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t時(shí)刻和to時(shí)刻，根據(jù)公式，計(jì)算可得到被測距離S。

超聲波傳感器探傷

對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。

1、穿透法探傷

穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)超聲波傳感器探頭，置于工件相對面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖波。在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。

反射法探傷

反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明檢測原理。

高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖(發(fā)射波)加在超聲波傳感器探頭上，激勵(lì)壓電晶體振蕩，使之產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時(shí)反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時(shí)，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波f、缺陷波F及底波經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。

熒光屏上的水平亮線為掃描線(時(shí)間基準(zhǔn))，其長度與時(shí)間成正比。由發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大小；由缺陷波的形狀，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。

超聲波探傷的優(yōu)點(diǎn)是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進(jìn)行定位和定量。然而，超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結(jié)果不便保存等，使超聲波探傷也有其局限性。

原文標(biāo)題：深度解讀超聲波流速傳感器

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