浅析超声波传感器工作原理及其在流量测量等领域的应用

    从1793年早发现超声波的意大利科学家斯帕拉捷从蝙蝠的身上发现了超声波的存在开始，人们对于超声波的认识和研究越来越深入，因为超声波具有的独特的特性，使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性。在科技飞速进步的今天，更是在生活和生产的许多领域都得到了大量的应用，发挥了重要的作用。通过本文介绍，读者不仅可以了解到超声波与可听声波的区别，了解超声波传感器工作的原理，也会对于超声波传感器(比如外夹式超声波流量计)在管道流量测量，医疗，工业生产，液位测量，测距系统等多个领域得到的广泛的应用有更为深入的认识。
    一、超声波传感器概述
    学过物理的朋友都知道，声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波，其每秒的振动频率次数很高，超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不到的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰退。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显着。功率特性——当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。
    由于超声波平率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的，空化作用-当超声波在液体中传播时，由于液体威力的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞，这些小空洞迅速膨胀和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，回事液体的文都骤然升高，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
    由上我们可以得到以下关于超声波的特点：（1）超声波在传播时，方向性强，能易于集中；（2）超声波能在各种不同媒体中传播，且可传播足够远的距离；（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。
    二、超声波传感器的工作原理与结构组成。
    超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为手段，必须产生超声波和接受超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
    超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接受超声波。超声探头的是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转换成机械震荡而产生超声波，同时它接受到超声波时，也能转换成电能，所以它可以分成发送器和接收器。
    有的超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接受传感器（或称波接收器）、控制部分与电源组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接受波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感接收器的输出，从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
    三、超声波传感器在生产与生活中的实际应用
    1、超声波在管道流量测量领域的应用
    超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。
    根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。润中仪表科技有限公司生产的RZ-1158C时差型外夹式超声波流量计就是其中典型的代表产品，此类产品由于其方便快捷的特点在市场上大放异彩。
    外夹式超声波流量计采用时差式测量原理：一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量值Q。

    2、超声波距离传感器技术的应用。
    超声波传感器包括三个部分：超声换能器，处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态，处理单元对接受到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声，如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置，对准被测物变化方向发射超声波，就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发射器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发射和接受声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声波振动转换成电信号。
    3、超声波传感器在医学上的应用。
    超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了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。
    4、超声波传感器在测量液位的应用。
    超声波测量液位的基本原理是：有超声波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的高度。超声波测量方法有很多其它法方不可比拟的优点：（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，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其影应时间短可以方便的实习无滞后的实时测量。
    5、超声波传感器在测距系统中的应用。
    超声波测距大致有以下方法：1.取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；2.测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，固被测距离为s=1/2vt。如果被测要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波距离适用于高的中长距离测量。
    四、文章结语
    本文讨论了超声波传感器的原理与特点，并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用，比如用于管道流量测量的外夹式超声波流量计。但是，超声波传感器也有自身的不足，比如发射问题，噪声问题的等等，这些相关的技术难点仍然需我进一步地加以优化，与超声波产品配套的相关基础性研究仍然有进一步拓展延伸的空间，因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习，仍具有很大的价值