超声波传感器检测流量

 工业生产中，经常会使用各种密闭容器存储和运输高温、有、易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器或管道的流是检测必须使用非接触测量，一般采用超声波传感器。

超声波传感器利用超声波的特性研制而成。超声波是由换能晶片在电压的激励下发生振动而产生的，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够定向传播等特点，对液体、固体的穿透本领大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会反射形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

本任务在认知超声波传感器的工作原理及特性等基础知识之上，通过分析实际，使学生掌握超声波式流量传感器的应用，能结合超声波传感器搭建实用的测系统。

超声波基本知识

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在20Hz~2x104Hz之间、能被人耳所闻的机械波，称为声波。低于20Hz的机械波，称为次声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7Hz~8Hz的次声波会引起人的恐惧感，引发动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。高于 2x104 Hz的机械波，称为超声波。声波的频率分布范围如图 3-1所示。

超声波有许多不同于声波的特点，如其指向性很好，能集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时由于声波在两种介质中传播速度不同，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波的频率越高，其声场指向性就越好，与光波的反射、折射特性就越接近。

1.超声波的传播类型

超声波的传播类型主要可分为纵波、横波、表面波三种。

(1)纵波:质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播人说话时产生的声波就属于纵波。
(2)横波:质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体中传播
(3)表面波:质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。

为了测各种状态下的物理量，应多采用纵波。

2.声速、声压、声强

(1)声速。

声速c恒等于声波的波长入与频率/的乘积，即(3-1)c=Af在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有着一定的关系。通常横波的声速约为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的 90%。

(2)声压。

当超声波在介质中传播时，质点所受交变压强与质点静压强之差称为声压P。声压与介质密度p、声速c、质点的振幅X及振动的角频率。成正比，即

(3-2)

P=pcXw

(3)声强。单位时间内，在垂直于声波传播方向上的单位面积A内所通过的声能称为声强1，声强与声压P的二次方成正比，即

15z

式中 2--声阻抗，其大小等于密度p与波速c的乘积，即Z=pc。

3.超声波的反射与折射

当超声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，这两种情况称为超声波的反射和折射。在两介质分界面处，超声波的传输与光的传输类似，符合反射定律和折射定律，如图 3-3 所示。

(1)反射定律。

图3-3 超声波的反射与折射人射波与反射波的波形相同，波速相等时，人射角等于反射角，即

(3-4)

(2)折射定律。

当波在界面处产生折射时，入射角a的正弦与折射角8的正弦之比等于人射波在介质中的波速c，与折射波在第二介质中的波速c之比，即

(3-5)

4.超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为P=Pe-a/,=/oe-2a

式中 P、1--距声源x处的声压和声强;x--声波与声源间的距离:

a--衰减系数，单位为 Np/m(奈培/米)。

在理想介质中，超声波的衰减仅来自于超声波的扩散，即随超声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使超声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、黏滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。