超聲波的概念
從物理學(xué)的角度來(lái)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(cè)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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(wàn)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(zhǎng)短,具有較好的方向性,能穿透不透明物質(zhì),超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)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(duì)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(lái)對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查,在材料科學(xué)中用來(lái)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(guò)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(cè)技術(shù),將檢測(cè)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(guò)檢測(cè)超聲波在順逆流的液體中的傳播時(shí)差來(lái)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(duì)檢測(cè)的影響,測(cè)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(cè)量?jī)x器,不阻礙液體的流動(dòng),具有很高的測(cè)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(duì)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??梢苑瓷涑暡?,超聲波的頻率隨著水流的流動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)接收者不同的頻率聲波,通過(guò)對(duì)頻率與流速之間的關(guān)系,從而獲取流速。
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(guò)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(zhǎng),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(cè)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 cos2 θ)
由于v << c,v2 cos2 θ 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(cè)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(cè)量的精度達(dá)到1%,則對(duì)聲速測(cè)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(cè)量。文中提出另一種測(cè)量方法,速差法,可以有效解決以上問題。
速差法測(cè)流量的測(cè)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(cè)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(lái)的被測(cè)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(cè)流速公式中不含超聲波速度C,故受溫度的影響小,測(cè)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(duì)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(lái)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(wú)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(wú)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(cè)位原理,運(yùn)用時(shí)差測(cè)量技術(shù),檢測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確、無(wú)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(cè)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(cè)物體經(jīng)反射后返回接收傳感器,測(cè)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(cè)物體之間的距離,從而確定位置??紤]到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響,通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正,以提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為
式中:s為被測(cè)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(cè)量t時(shí)刻和to時(shí)刻,根據(jù)公式,計(jì)算可得到被測(cè)距離S。
超聲波傳感器探傷
對(duì)高頻超聲波,由于它的波長(zhǎng)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(wú)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(lái)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(duì)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(cè)中,當(dāng)工件內(nèi)無(wú)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(cè)出來(lái)。
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(lái)探測(cè)缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例,說(shuō)明檢測(cè)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(lái);另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B,也反射回來(lái)。由缺陷及底面反射回來(lái)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(lái)。
熒光屏上的水平亮線為掃描線(時(shí)間基準(zhǔn)),其長(zhǎng)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??;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(lái),熒光屏上只有T、F波,沒有B波。當(dāng)工件無(wú)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(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害,能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。然而,超聲波探傷對(duì)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。
責(zé)任編輯:haq
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