超声波物位计探头结构和主要性能指标

超声波探头是产生超声波和接收其回波的一种传感器。超声波探头能够将电能转换成声能，也能将声能转换成电能。超声波探头作为组成超声波物位计的关键部件，它的性能直接影响着发射超声波的强度、接收的回波信号的强度、物位计量程，可以说超声波探头的好坏直接决定着超声波物位计能否正常稳定地工作。超声波是由高频电脉冲激励超声探头而产生的，反射回来的超声能量又被探头转换为电压信号。压电探头里的压电陶瓷具有压电效应，实现电声能量最常用的方法是利用压电探头实现的。为使仪表用户对超声波物位计有更为深入地认识，本文拟就超声波物位测量探头的结构和主要性能指标探讨如下。

一、压电探头结构

压电探头的结构如图1所示：它由压电陶瓷、匹配层、阻尼块、保护膜、外壳和高频电缆线等组成。

图1压电探头结构图

1.阻尼块：是由一些阻尼材料配置而成，粘附在压电陶瓷后面，主要是吸收压电陶瓷背面的超声波，以减少噪声。

2.高频电缆线：超声波探头需要通过高频电缆线与超声波驱动电路板进行连接，这种专用的电缆线可以屏蔽外部各种干扰噪声等对超声波探头的驱动脉冲和回波信号的干扰。

3.保护膜：其作用是保护压电陶瓷和电极，防止磨损和碰坏。保护膜必须耐磨性能好、强度高、材质声衰减小、透声性能好、厚度合适。

4.压电陶瓷：压电陶瓷是探头的核心元件，其性能好坏直接关系着探头的质量。它的作用是发射和接收超声波。陶瓷两面敷有作为电极的银层，目的是使供给陶瓷片的电压均匀，陶瓷片上电极接火线引至电路，底面则接地线与电路的公共点相接以便形成回路。

5.外壳：探头的外壳体由塑料制成，主要有固定和保护整个探头元件的作用。

6.匹配层：超声波探头的匹配层能够在探头与工作负载之间起到匹配声阻抗的能力，可以有效拓宽探头的工作频带，进一步提高超声波分辨率和工作适应能力。

二、超声波探头主要性能指标

超声波探头的主要性能指标包括：工作频率、灵敏度、品质因素、频率响应、电阻抗、方向特性等。现将各个性能指标分别介绍如下：

1.工作频率f：超声波探头的工作频率是由压电陶瓷的谐振频率，也就是探头发射的超声波的频率所决定的。超声波探头工作在此频率下输出的能量最大，传播距离也最远。

2.品质因素Q：超声波探头的品质因素Q由电路部分的品质因素和机械部分的品质因素综合决定。

3.方向特性：主瓣的尖锐程度决定着超声波探索区域范围，因此方向特性直接决定着超声波物位计的工作范围和量程。主瓣角是超声波方向特性中最重要的指标，超声波的频率越高，主瓣角越小，超声波探头的声能越集中，其声速范围也越窄。如图2所示：

图2锐角的和波束宽度

4.频率响应：超声波探头的频率响应是指某一反射物体，探头收到回波信号的频率特性，超声波探头的频谱图可以通过频率分析仪测得，从而得到中心频率、带宽等参数。

5.灵敏度：灵敏度是指超声波回波经探头转换后输出的回波信号电压的峰峰值和施加在探头上的驱动脉冲电压的峰峰值的比值。灵敏度是衡量超声波探头电能和声能相互转换效率的一种度量。

6.阻抗特性：由于超声波探头的特性，要求其与驱动电压之间实现阻抗匹配，已达到最理想的驱动能量和回波接收信号。

实际应用中，对探头的最大测试量程、最小测试量程（盲区）和发射角（指向性开角）要求各不相同，所以需要综合考虑，以及各个性能指标参数对探头的结构、频率、辐射面和外部尺寸权衡后再进行选择，以尽量满足实际需求。