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超聲波物位計探頭結構和主要性能指標
2018-12-14
超聲波探頭是產生超聲波和接收其回波的一種傳感器。超聲波探頭能夠將電能轉換成聲能，也能將聲能轉換成電能。超聲波探頭作為組成超聲波物位計的關鍵部件，它的性能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，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定地工作。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。壓電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壓電探頭實現的。為使儀表用戶對超聲波物位計有更為深入地認識，本文擬就超聲波物位測量探頭的結構和主要性能指標探討如下。
一、壓電探頭結構
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，其性能好壞直接關系著探頭的質量。它的作用是發射和接收超聲波。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能力。
二、超聲波探頭主要性能指標
超聲波探頭的主要性能指標包括：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.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。
2.品質因素Q：超聲波探頭的品質因素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。
3.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，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。
6.阻抗特性：由于超聲波探頭的特性，要求其與驅動電壓之間實現阻抗匹配，以達到最理想的驅動能量和回波接收信號。
實際應用中，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，所以需要綜合考慮，權衡各個性能指標參數后，再對探頭的結構、頻率、輻射面和外部尺寸進行選擇，以盡量滿足實際需求。
一、壓電探頭結構
壓電探頭的結構如圖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 壓電探頭結構圖
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，其性能好壞直接關系著探頭的質量。它的作用是發射和接收超聲波。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能力。
二、超聲波探頭主要性能指標
超聲波探頭的主要性能指標包括：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.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。
2.品質因素Q：超聲波探頭的品質因素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。
3.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，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：超聲波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。5.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。
6.阻抗特性：由于超聲波探頭的特性，要求其與驅動電壓之間實現阻抗匹配，以達到最理想的驅動能量和回波接收信號。
實際應用中，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，所以需要綜合考慮，權衡各個性能指標參數后，再對探頭的結構、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構和主要性能指標”的相關介紹，如欲了解更多物位開關（料位開關、液位開關）、物位計（料位計、液位計）等物位測量儀表方面的知識，歡迎關注微信公眾號：Jiweimeter。
（深圳計為自動化技術有限公司研發中心2018年12月14日發布）
TAGS : 超聲波物位計
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