—基于參考聲速法的超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-04 08:24 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 效應(yīng)的溫度；介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)，在制造探頭考慮阻抗匹配時(shí)起作用；壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓電體處于應(yīng)力恒定的狀態(tài)時(shí)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場(chǎng)強(qiáng)度變化之比，它關(guān)系著晶片發(fā)射性能的好壞；壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時(shí)，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著品片接收性能的好壞。壓電片的振動(dòng)方式有很多種，如：薄片的厚度振動(dòng)，縱片的長度振動(dòng)，橫片的長度振動(dòng)，圓片的徑向振動(dòng)，圓管的厚度、長度、徑向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，彎曲振動(dòng)等。其中，以薄片厚度振動(dòng)用的最多。由于壓電晶片本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配以及防護(hù)不良環(huán)境要求，壓電元件往往裝在一殼體內(nèi)構(gòu)成探頭。2． 基本原理以石英晶體作為壓電材料的超聲波換能器，利用壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)超聲波的接收和反射。逆壓電效應(yīng)是指：當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，此為超聲波的發(fā)射。正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此為超聲波的接收。壓電晶片的振動(dòng)頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的諧振頻率，即中心頻率f0，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率f。一致；接收超聲波時(shí)，作用在其上面的超聲機(jī)械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高靈敏度。在所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。用于超聲測(cè)距的超聲換能器的中心頻率一般為40kHz。超聲波換能器的壓電晶片安裝在一個(gè)小型外殼旱，外殼的前面由一種聲波很容易通過的金屬絲網(wǎng)組成，在換能器的背面有兩個(gè)電接頭。將兩個(gè)壓電晶片粘在一起，它們的每個(gè)外表面都有作為施加電位用的鍍銀電極。制作過程中，在晶體片上形成電荷偶極子，并使其校準(zhǔn)在一個(gè)確定的方向上，即“極化方向’。在雙壓電晶片組成的板里，兩個(gè)壓電片的極化方向是相反的。一個(gè)沿極化方向上所施加的外電場(chǎng)，將使晶體片隨電場(chǎng)的極性發(fā)生膨脹或收縮，從而引起整個(gè)組件的彎曲。其工作原理如圖21所示。一個(gè)交流電場(chǎng)將引起晶體片快速振動(dòng)，從而將能量發(fā)射出去。圖2l雙壓電晶片示意圖超聲波換能器有一個(gè)特定的機(jī)械共振頻率，即壓電晶片的諧振頻率，只有在相當(dāng)接近這個(gè)共振頻率時(shí)，才能有效地工作。所以必須用一個(gè)接近共振頻率的交流頻率信號(hào)施加到發(fā)射換能器上，以便使它發(fā)射適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波，而當(dāng)反射回?fù)Q能器的超聲波偏離共振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，則接收換能器產(chǎn)生的響應(yīng)就小【36l。超聲波換能器的參數(shù)【37l主要有：(1)中心頻率：是指超聲波發(fā)射換能器的諧振頻率(2)靈敏度：接收換能器靈敏度為施加0．1Pa聲壓時(shí)，所產(chǎn)生的電壓相對(duì)于lv／；發(fā)射換能器靈敏度為施加1V電壓所產(chǎn)生的聲壓相對(duì)于0．1Pa／lV的分貝數(shù)。(3)帶寬：中心頻率處靈敏度最高。當(dāng)離開中心頻率，靈敏度下降，當(dāng)下降到一定值(dB數(shù))時(shí)，兩頻率之間隔為帶寬。(4)發(fā)射角：發(fā)射超聲波具有一定的指向性。(5)電容：壓電陶瓷片兩極間的等效電容。(6)電阻：壓電陶瓷片兩極問的電阻值。另外，還有一些極限參數(shù)，如允許輸入電壓、溫度范圍、耐濕性等。本設(shè)計(jì)中選用T／R4016型超聲波換能器。T一發(fā)射，R一接收，40中心頻率，16一外殼直徑(mm)。如圖2—2所示135J，超聲換能器由壓電晶片、錐形喇叭、底座、引線、金屬外殼及屏蔽網(wǎng)組成。其中，壓電晶片是換能器的核心，錐形喇叭使發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使換能器有一定的指向角，金屬網(wǎng)可防止外界力量對(duì)壓電晶片和錐形喇叭的損害，金屬網(wǎng)也起保護(hù)作用，但不影響發(fā)射和接收超聲波。圖2—2超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)其性能指標(biāo)：中心頻率40177。1KHZ，發(fā)射聲壓大于115dB，接收靈敏度大于64Db／v／ubar，6dB指向?yàn)?0deg，電容2400177。25％PF，允許輸入電壓20v。其發(fā)射換能器頻率特性曲線圖如圖2．3所示。15圖23超聲發(fā)射換能器頻率特性由圖可知，在中心頻率40kHz處，超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，即在fo處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在fo兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減，因此超聲波發(fā)射時(shí)要用非常接近中心頻率f0的交流電壓來驅(qū)動(dòng)。同樣，接收換能器在中心頻率f0處輸出電信號(hào)的幅度最大，即在fo處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收換能器具有很好的頻率選擇特性。 2．3時(shí)差法超聲波液位計(jì)的基本原理時(shí)差法超聲波液位計(jì)的工作原理是首先由發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在被測(cè)液體介質(zhì)或其他借以測(cè)量的傳聲介質(zhì)中傳播至液面，經(jīng)液面反射后，反射回波被接收探頭所接收，測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所經(jīng)過的時(shí)間，根據(jù)介質(zhì)中的聲速，可計(jì)算出探頭至液面的距離，進(jìn)而得出液位高度。根據(jù)超聲波換能器的工作方式的不同，超聲波液位計(jì)可分為一發(fā)一收的雙探頭模式和自發(fā)自收的單探頭模式。根據(jù)傳聲介
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