淺析超聲波傳感器工作原理及其在流量測量等領域的應用

從1793年最早發現超聲波的意大利科學家斯帕拉捷從蝙蝠的身上發現了超聲波的存在開始，人們對于超聲波的認識和研究越來越深入，因為超聲波具有的獨特的特性，使得超聲波傳感器越來越在生產生活中體現了其重要性。在科技飛速進步的今天，更是在生活和生產的許多領域都得到了大量的應用，發揮了重要的作用。通過本文介紹，讀者不僅可以了解到超聲波與可聽聲波的區別，了解超聲波傳感器工作的原理，也會對于超聲波傳感器(比如外夾式超聲波流量計)在管道流量測量，醫療，工業生產，液位測量，測距系統等多個領域得到的廣泛的應用有更為深入的認識。

一、超聲波傳感器概述
學過物理的朋友都知道，聲波是物體機械振動狀態的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒的振動頻率次數很高，超出了人耳聽覺的上限，人們將這種聽不到的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰退。超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律，與可聽聲波的規律并沒有本質上的區別。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性——超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性——當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。
由于超聲波平率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的，空化作用-當超聲波在液體中傳播時，由于液體威力的劇烈振動，會在液體內部產生小空洞，這些小空洞迅速膨脹和閉合，會使液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用，從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，回事液體的文都驟然升高，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發生乳化，并且加速溶質的溶解，加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。
由上我們可以得到以下關于超聲波的特點：（1）超聲波在傳播時，方向性強，能易于集中；（2）超聲波能在各種不同媒體中傳播，且可傳播足夠遠的距離；（3）超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態的信息（診斷或對傳聲媒質產生效應）。
　　
二、超聲波傳感器的工作原理與結構組成。
　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為手段，必須產生超聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接受超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉換成機械震蕩而產生超聲波，同時它接受到超聲波時，也能轉換成電能，所以它可以分成發送器和接收器。
有的超聲波傳感器由發送傳感器（或稱波發送器）、接受傳感器（或稱波接收器）、控制部分與電源組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接受波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感接收器的輸出，從而對發送的超進行檢測。控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。
　　
三、超聲波傳感器在生產與生活中的實際應用

　1、超聲波在管道流量測量領域的應用
超聲流量計和超聲波流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，它是發展迅速的一類流量計之一。
根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。潤中儀表科技有限公司生產的RZ-1158C時差型外夾式超聲波流量計就是其中典型的代表產品，此類產品由于其方便快捷的特點在市場上大放異彩。
外夾式超聲波流量計采用時差式測量原理：一個探頭發射信號穿過管壁、介質、另一側管壁后，被另一個探頭接收到，同時，第二個探頭同樣發射信號被第一個探頭接收到，由于受到介質流速的影響，二者存在時間差Δt，根據推算可以得出流速V和時間差Δt之間的換算關系V=(C2/2L)×Δt，進而可以得到流量值Q。



2、超聲波距離傳感器技術的應用。
　　超聲波傳感器包括三個部分：超聲換能器，處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵，其受激后以脈沖形式發出超聲波，接著超聲換能器轉入接受狀態，處理單元對接受到的超聲波脈沖進行分析，判斷收到的信號是不是所發出的超聲波的回聲，如果是，就測量超聲波的行程時間，根據測量的時間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對準被測物變化方向發射超聲波，就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發射器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發射和接受聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲波振動轉換成電信號。
　　
3、超聲波傳感器在醫學上的應用。
　　超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。
　　
4、超聲波傳感器在測量液位的應用。
　　超聲波測量液位的基本原理是：有超聲波探頭發出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位的高度。超聲波測量方法有很多其它法方不可比擬的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）其影應時間短可以方便的實習無滯后的實時測量。
　
5、超聲波傳感器在測距系統中的應用。
　　超聲波測距大致有以下方法：1.取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測量電壓即可測得距離；2.測量輸出脈沖的寬度，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，固被測距離為s=1/2vt。如果被測精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波距離適用于高精度的中長距離測量。

四、文章結語
　　本文討論了超聲波傳感器的原理與特點，并由此總結了超聲波傳感器在生產生活各個方面的廣泛應用，比如用于管道流量測量的外夾式超聲波流量計。但是，超聲波傳感器也有自身的不足，比如發射問題，噪聲問題的等等，這些相關的技術難點仍然需我進一步地加以優化，與超聲波產品配套的相關基礎性研究仍然有進一步拓展延伸的空間，因此對超聲波傳感器的更深一步的研究與學習，仍具有很大的價值