超声波传感器

显示了用于气体应用的阻抗匹配换能器的位置。与波长相比，使用非常小的金属窗口意味着通过线的能量损失也很小。

超声波换能器用于各种仪表和控制应用，最常见的是流量测量，材料的无损检测和液位测量。

一般来说，超声波换能器是任何能够将电脉冲转换为机械能的装置，它能产生高于听力的声音频率。频率选择将随着应用程序的变化而变化。对于流量测量，频率范围可以从30 kHz到5 MHz。在电平测量中，它们可以预期更低，通常在30 kHz和200 kHz之间。对于检测设备，如测厚仪和探伤仪，频率可以覆盖更大的频率范围，但通常比其他仪器中看到的要高得多。

超声波飞行时间流量计系统使用成对的换能器来测量管道中的流体流量。每个换能器包括一个压电晶体，它可以在超声波频率范围内将电脉冲转换为机械声脉冲，反之亦然。它交替地作为发射机和接收机工作。所述换能器对的定位使得，在某一时刻，源自一个换能器的声脉冲沿流的下游传播到另一个换能器，并且在另一时刻，传播的声脉冲沿相反方向传播，或沿流的上游传播。声波脉冲在上游和下游的传播时间之差与被测介质的流速成正比。

基本设计

超声波飞行时间流量计系统的典型换能器由压电晶体、外壳、阻抗匹配器和背板组成。其设计旨在最大限度地将能量传递到流动介质中，同时消除回声，阻尼结构中不需要的振铃，并拓宽换能器带宽。

为了量化压电片的阻尼，M.G. Silk在他关于超声波换能器的书中提出:

W = (zd - za)(zd - zb)/(zd + za)(zd + zb)

地点:

W =一次振荡后捕获能量的平方根，或周期n与周期n-1的振幅比

ZD =压电晶片的声阻抗

ZA =阻抗匹配器的声阻抗

ZB =背衬声阻抗

根据实际材料的选择，换能器可以设计成以下三类之一:

• 带宽窄:当W > 0.75时，压电片长时间振铃

• 中等带宽:根据Silk，当W~0.3时，可接受许多超声波工作

• 宽带:具有很短的(宽带)信号，当W & 0.1

传感器的应用:

• 对于具有代表性的火炬气体应用(见插图)，可以将四分之一波匹配技术用于所有装在金属外壳内的传感器组件，以保护它们免受腐蚀性气体介质的影响。因为与100千赫波长相比，声音发出的金属窗口非常小，所以穿过它的能量损失也很小。

• 对于典型的液体应用，压电晶体粘结在金属外壳上，没有任何阻抗匹配层。

有关超声波测量的更多信息，请参阅l.c. Lynnworth，“用于过程控制的超声波测量”，在理论，技术，应用，第123-126页，学院出版社，(1989);和M. G. Silk，用于无损检测的超声波换能器，Adam Hilger Ltd, Bristol UK(1984)。

作者信息

阮涛(toan.h.nguyen@ge.com)是工程技术领导者，卓越的流动中心，变频器组，克里斯托弗·斯特里克(christopher.frail@ge.com)是马萨诸塞州Billerica通用电气传感公司flow technologies的产品营销经理;

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