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超聲波物位計探頭結(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo)
2018-12-14
超聲波探頭是產(chǎn)生超聲波和接收其回波的一種傳感器。超聲波探頭能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成聲能，也能將聲能轉(zhuǎn)換成電能。超聲波探頭作為組成超聲波物位計的關(guān)鍵部件，它的性能直接影響著發(fā)射超聲波的強度、接收的回波信號的強度、物位計量程，可以說超聲波探頭的好壞直接決定著超聲波物位計能否正常穩(wěn)定地工作。超聲波是由高頻電脈沖激勵超聲探頭而產(chǎn)生的，反射回來的超聲能量又被探頭轉(zhuǎn)換為電壓信號。壓電探頭里的壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，實現(xiàn)電聲能量最常用的方法是利用壓電探頭實現(xiàn)的。為使儀表用戶對超聲波物位計有更為深入地認(rèn)識，本文擬就超聲波物位測量探頭的結(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo)探討如下。
一、壓電探頭結(jié)構(gòu)
2.高頻電纜線：超聲波探頭需要通過高頻電纜線與超聲波驅(qū)動電路板進行連接，這種專用的電纜線可以屏蔽外部各種干擾噪聲等對超聲波探頭的驅(qū)動脈沖和回波信號的干擾。
3.保護膜：其作用是保護壓電陶瓷和電極，防止磨損和碰壞。保護膜必須耐磨性能好、強度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適。
4.壓電陶瓷：壓電陶瓷是探頭的核心元件，其性能好壞直接關(guān)系著探頭的質(zhì)量。它的作用是發(fā)射和接收超聲波。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，底面則接地線與電路的公共點相接以便形成回路。
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.匹配層：超聲波探頭的匹配層能夠在探頭與工作負(fù)載之間起到匹配聲阻抗的能力，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(yīng)能力。
二、超聲波探頭主要性能指標(biāo)
超聲波探頭的主要性能指標(biāo)包括：工作頻率、靈敏度、品質(zhì)因素、頻率響應(yīng)、電阻抗、方向特性等。現(xiàn)將各個性能指標(biāo)分別介紹如下：
1.工作頻率f：超聲波探頭的工作頻率是由壓電陶瓷的諧振頻率，也就是探頭發(fā)射的超聲波的頻率所決定的。超聲波探頭工作在此頻率下輸出的能量最大，傳播距離也最遠(yuǎn)。
2.品質(zhì)因素Q：超聲波探頭的品質(zhì)因素Q由電路部分的品質(zhì)因素和機械部分的品質(zhì)因素綜合決定。
3.方向特性：主瓣的尖銳程度決定著超聲波探索區(qū)域范圍，因此方向特性直接決定著超聲波物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(biāo)，超聲波的頻率越高，主瓣角越小，超聲波探頭的聲能越集中，其聲速范圍也越窄。如圖2所示：
5.靈敏度：靈敏度是指超聲波回波經(jīng)探頭轉(zhuǎn)換后輸出的回波信號電壓的峰峰值和施加在探頭上的驅(qū)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(zhuǎn)換效率的一種度量。
6.阻抗特性：由于超聲波探頭的特性，要求其與驅(qū)動電壓之間實現(xiàn)阻抗匹配，以達到最理想的驅(qū)動能量和回波接收信號。
實際應(yīng)用中，對探頭的最大測試量程、最小測試量程（盲區(qū)）和發(fā)射角（指向性開角）要求各不相同，所以需要綜合考慮，權(quán)衡各個性能指標(biāo)參數(shù)后，再對探頭的結(jié)構(gòu)、頻率、輻射面和外部尺寸進行選擇，以盡量滿足實際需求。
一、壓電探頭結(jié)構(gòu)
壓電探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示：它由壓電陶瓷、匹配層、阻尼塊、保護膜、外殼和高頻電纜線等組成。
圖1 壓電探頭結(jié)構(gòu)圖
1.阻尼塊：是由一些阻尼材料配置而成，粘附在壓電陶瓷后面，主要是吸收壓電陶瓷背面的超聲波，以減少噪聲。2.高頻電纜線：超聲波探頭需要通過高頻電纜線與超聲波驅(qū)動電路板進行連接，這種專用的電纜線可以屏蔽外部各種干擾噪聲等對超聲波探頭的驅(qū)動脈沖和回波信號的干擾。
3.保護膜：其作用是保護壓電陶瓷和電極，防止磨損和碰壞。保護膜必須耐磨性能好、強度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適。
4.壓電陶瓷：壓電陶瓷是探頭的核心元件，其性能好壞直接關(guān)系著探頭的質(zhì)量。它的作用是發(fā)射和接收超聲波。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，底面則接地線與電路的公共點相接以便形成回路。
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.匹配層：超聲波探頭的匹配層能夠在探頭與工作負(fù)載之間起到匹配聲阻抗的能力，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(yīng)能力。
二、超聲波探頭主要性能指標(biāo)
超聲波探頭的主要性能指標(biāo)包括：工作頻率、靈敏度、品質(zhì)因素、頻率響應(yīng)、電阻抗、方向特性等。現(xiàn)將各個性能指標(biāo)分別介紹如下：
1.工作頻率f：超聲波探頭的工作頻率是由壓電陶瓷的諧振頻率，也就是探頭發(fā)射的超聲波的頻率所決定的。超聲波探頭工作在此頻率下輸出的能量最大，傳播距離也最遠(yuǎn)。
2.品質(zhì)因素Q：超聲波探頭的品質(zhì)因素Q由電路部分的品質(zhì)因素和機械部分的品質(zhì)因素綜合決定。
3.方向特性：主瓣的尖銳程度決定著超聲波探索區(qū)域范圍，因此方向特性直接決定著超聲波物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(biāo)，超聲波的頻率越高，主瓣角越小，超聲波探頭的聲能越集中，其聲速范圍也越窄。如圖2所示：
圖2 銳角的和波束寬度
4.頻率響應(yīng)：超聲波探頭的頻率響應(yīng)是指某一反射物體，探頭收到回波信號的頻率特性，超聲波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(shù)。5.靈敏度：靈敏度是指超聲波回波經(jīng)探頭轉(zhuǎn)換后輸出的回波信號電壓的峰峰值和施加在探頭上的驅(qū)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(zhuǎn)換效率的一種度量。
6.阻抗特性：由于超聲波探頭的特性，要求其與驅(qū)動電壓之間實現(xiàn)阻抗匹配，以達到最理想的驅(qū)動能量和回波接收信號。
實際應(yīng)用中，對探頭的最大測試量程、最小測試量程（盲區(qū)）和發(fā)射角（指向性開角）要求各不相同，所以需要綜合考慮，權(quán)衡各個性能指標(biāo)參數(shù)后，再對探頭的結(jié)構(gòu)、頻率、輻射面和外部尺寸進行選擇，以盡量滿足實際需求。
以上就是“超聲波物位測量探頭結(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo)”的相關(guān)介紹，如欲了解更多物位開關(guān)（料位開關(guān)、液位開關(guān)）、物位計（料位計、液位計）等物位測量儀表方面的知識，歡迎關(guān)注微信公眾號：Jiweimeter。
（深圳計為自動化技術(shù)有限公司研發(fā)中心2018年12月14日發(fā)布）
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