深度解讀超聲波流速傳感器

超聲波的概念

從物理學的角度來看，聲波屬于聲音的類別，是機械波中的一種，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。超聲波因為其最低頻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，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，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、軍事、工農(nóng)業(yè)上有很多的應用，聲波是物體作機械振動，傳播能量的一種形式，所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動。比如，鼓面經(jīng)敲擊后，鼓面上下振動，振動狀態(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是是一致的，它們的主要特點都是一種機械振動，是能量的傳播形式。不同點是超聲頻率高，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（質點每秒振動1次為1Hz，1MHz=10^6Hz,即每秒振動達100萬次）

超聲波的特性

1、超聲波在液體中傳播時，在界面上能產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象?！?/span>

2、超聲波可以在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。

3、超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

4、聲波可傳播較強的能量。

超聲波效應的利用

超聲檢驗

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，超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術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 。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。超聲成像技術已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學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，其原理與光波的全息術基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術）。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別****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產(chǎn)生的衍射效應而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機和電視機作實時觀察。

超聲處理

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

超聲流量流速傳感器中的應用

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

第一類是利用流速的變化的時間差法，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差來反映流速所以又稱之為傳播速度差法。時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****超聲波，超聲波在流動的液體中載上流速，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，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，當聲源與接收器發(fā)生相對運動時，接收器接收到的聲波頻率會隨之發(fā)生頻率變化。當聲源產(chǎn)生的波(聲波、電磁波、光波等)向接收方向傳播時，接收者接收波的頻率會增大；當波源背離接收者的方向傳播時，接收者接收波的頻率會減小。當觀察者相當于聲源有相同的移動時，同樣可以得出這種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應。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系，從而獲取流速。測量原理圖如下。

相位差法

直接時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 為銳角時，稱之為順流；當 為鈍角時，稱之為逆流。超聲波信號在動態(tài)介質(流體)中，與靜態(tài)介質(流速為零)相比，順流時信號傳播速度增加，傳播時間減小，同樣逆流時超聲波信號傳播速度減小，傳播時間增加，從而順逆流方向超聲波信號傳播時間存在一個差值(即時差)。利用超聲波在橫向穿過流動的液體時, 在其順流和逆流介質中, 其超聲波的速度有差異而形成速度差( 時間差) 。圖中，A和B分別為兩個超聲波換能器，V 為液體流速，H為明渠寬度，θ 超聲波進入液體的入射角。t1 為換能器A ****、B 接收時，超聲波在明渠中傳播時間，即順流時間；t2 為換能器 A，B接受時，超聲波在明渠中傳播時間，即逆流時間。

具體方法如下:當從A 到B 順流****超聲波時，聲波基本上順流傳播，速度快時間短，其傳播時間為:

t1 = L /( c +v*cos)

當從B 到A 逆流****超聲波時，逆流傳播、速度慢、時間長，即：

t2 = L /( c － v*cosθ)

式中: L 為2 個換能器之間的距離; 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 個超聲波換能器線與管道所夾的銳角。

兩種方向傳播的時間差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

當流體中聲速c 為常數(shù)時，流體的流速v 與Δt 成正比，測出時間差即可以求出流速v，進而得到流量。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到1%，則對聲速測量的精度需為

～數(shù)量級，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: 當從A 到B 順流****超聲波時，

c + v*cosθ = L /t1

從B 到A 逆流****超聲波時，

c － v*cosθ = L /t2( 7)

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

 設順流和逆流的時間差為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 沒有直接關系，從而避免了測聲速c 的困難，同時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上發(fā)展起來的被測流體內(nèi)有兩個通道，順流和逆流通道，一個通道順流****超聲波，另一個逆流****超聲波。

超聲波傳感器的優(yōu)缺點

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。

驅動電壓高

超聲波傳感器驅動電壓一般在100Vp-p到1500Vp-p之間，在很多低壓設備上需要脈沖變壓器升壓，這樣會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，其材料的限制導致了靈敏度無法達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中傳播時衰減快，所以超聲波傳感器的傳播距離較短，無法達到

超聲波傳感器在其他領域的應用

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，運用時差測量技術，檢測傳感器與目標之間的距離，采用小角度、小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量準確、無接觸、防水、防腐蝕、成本低等優(yōu)點，主要應用于液位、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****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****到接收所需的時間，再根據(jù)介質中的聲速，就能得到從傳感器到被測物體之間的距離，從而確定位置?？紤]到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，以提高測量精度。計算公式為

式中：s為被測距離；為****超聲波脈沖與接收其回波的時間差；為超聲回波接收時刻；幻為超聲脈沖****時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t時刻和to時刻，根據(jù)公式，計算可得到被測距離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，碰到雜質或分界面就會有明顯的反射，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)部質量的方法。穿透法用兩個超聲波傳感器探頭，置于工件相對面，一個****超聲波，一個接收超聲波。****波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖波。在探測中，當工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，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(****波)加在超聲波傳感器探頭上，激勵壓電晶體振蕩，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，又變?yōu)殡娒}沖。****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(時間基準)，其長度與時間成正比。由****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。當缺陷面積大于聲束截面時，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。當工件無缺陷時，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。

超聲波探傷的優(yōu)點是檢測厚度大、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，探傷技術難度大，容易受到主、客觀因素的影響，以及探傷結果不便保存等，使超聲波探傷也有其局限性。