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    淺談超聲波液位計探頭的組成結構及其6大性能指標

    2019-02-25

      超聲波液位計的探頭是產生超聲波和接收其回波的一種傳感器,由于其能將電能轉換成聲能,也能將聲能轉換成電能,所以又稱為換能器。超聲波是由高頻電脈沖激勵超聲探頭而產生的,反射回來的超聲能量又被探頭轉換為電壓信號。超聲波液位計探頭里的壓電陶瓷具有壓電效應,實現電聲能量最常用的方法是利用超聲波探頭實現的。為更好地理解超聲波液位計的探頭,本文擬就超聲波液位計探頭的組成結構及其6大性能指標介紹如下。
      一、超聲波液位計探頭結構及作用
      如下圖1所示,超聲波液位計探頭的結構主要由壓電陶瓷、匹配層、阻尼塊、保護膜、外殼和高頻電纜線等部分組成。

    超聲波液位計探頭的組成結構及其6大性能指標

    圖1 超聲波液位計探頭結構圖

      1、壓電陶瓷:壓電陶瓷是探頭的核心元件,它的作用是發射和接收超聲波,其性能好壞直接影響到探頭的質量。陶瓷兩面敷有作為電極的銀層,目的是使供給陶瓷片的電壓均勻,陶瓷片上電極接火線引至電路,底面則接地線口與電路的公共點相接以便形成回路。
      2、高頻電纜線:超聲波液位計的探頭需要通過高頻電纜線與超聲波驅動電路板進行連接,這種專用的高頻電纜線具有屏蔽外部各種干擾噪聲等對超聲波探頭的驅動脈沖和回波信號干擾的作用。
      3、匹配層:超聲波液位計探頭的匹配層能夠在探頭與工作負載之間起到匹配聲阻抗的作用,可以有效拓寬探頭的工作頻帶,進一步提高超聲波分辨率和工作適應能力。
      4、阻尼塊:是由一些阻尼材料配置而成,粘附在壓電陶瓷后面,主要起到吸收壓電陶瓷背面的超聲波,以減少噪聲的作用?! ?

      5、外殼:探頭的外殼體由塑料制成,主要有固定和保護整個探頭元件的作用。
      6、保護膜:保護膜必須滿足耐磨性能好、強度高、材質聲衰減小、透聲性能好、厚度合適的要求,以達到保護壓電陶瓷和電極,防止磨損和碰壞的作用。
      二、超聲波液位計探頭6大性能指標
      超聲波液位計探頭作為組成超聲波液位計的關鍵部件,其性能好壞直接影響著發射超聲波的強度、接收的回波信號的強度、物位計量程,直接決定著超聲波物位計能否正常穩定地工作。超聲波液位計探頭的主要性能指標有以下6種:工作頻率、靈敏度、品質因素、頻率響應、電阻抗、方向特性等,現將各個性能指標分別介紹如下:
      1、靈敏度:靈敏度是指超聲波回波經探頭轉換后輸出的回波信號電壓的峰峰值和施加在探頭上的驅動脈沖電壓的峰峰值的比值。靈敏度是衡量超聲波探頭電能和聲能相互轉換效率的一種度量。
      2、工作頻率f:超聲波液位計探頭的工作頻率是由壓電陶瓷的諧振頻率,也就是探頭發射的超聲波的頻率所決定的。超聲波液位計探頭工作在此頻率下輸出的能量最大,傳播距離也最遠。
      3、頻率響應:超聲波液位計探頭的頻率響應是指某一反射物體,探頭收到回波信號的頻率特性,超聲波液位計探頭的頻譜圖可以通過頻率分析儀測得,從而得到中心頻率、帶寬等參數。

    超聲波液位計探頭的組成結構及其6大性能指標
    圖2 銳角的和波束寬度

      4、品質因素Q:超聲波液位計探頭的品質因素Q由電路部分的品質因素和機械部分的品質因素綜合決定。
      5、方向特性:主瓣的尖銳程度決定著超聲波探索區域范圍,因此方向特性直接決定著超聲波液位計的工作范圍和量程。主瓣角是超聲波方向特性中最重要的指標,超聲波的頻率越高,主瓣角越小,超聲波探頭的生能越集中,其聲速范圍也越窄。如圖2所示:
      6、阻抗特性:由于超聲波液位計探頭的特性,要求其與驅動電壓之間實現阻抗匹配,已達到最理想的驅動能量和回波接收信號。
      在實際應用過程中,對探頭的最大測試量程、最小測試量程(盲區)和發射角(指向性開角)要求各不相同,超聲波液位計在選型時,需要綜合考慮,對各個性能指標參數對探頭的結構、頻率、輻射面以及外部尺寸權衡后再進行選擇,以盡量滿足實際工況的要求。


    (深圳計為自動化技術有限公司研發中心2019年2月25日發布)


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