文字 | 传感器技术 (WW_CGQJS)
超声波的概念
从物理学的角度来看，声波属于声音的范畴，是一种机械波。 人类能听到的声波频率范围为16Hz至20KHz。 如果声波的频率低于16Hz，则称为次声波，高于20KHz，则称为超声波。 超声波因其最低频率约等于人耳最高频率而得名。 超声波具有良好的定向性能，穿透能力强，容易获得集中的声能，在水中传播距离远。 可用于测距测速、清洁、焊接、碎石、杀菌消毒等。声波按原理可分为检测超声和功率超声。 在医学、军事、工农业等方面都有很多应用。 声波是物体通过机械振动传递能量的一种形式。 所谓振动，是指物质质点在其平衡位置附近的往复运动。 例如，敲击鼓面后，鼓面上下振动，振动状态通过空气、液体或固体向周围传播，产生声波。 频率高于20KHZ的声波是人类听不见的，称为超声波。 超声波和可听声音其实是一样的，它们的主要特征是一种机械振动，是能量传递的形式。 区别在于超声波频率高，波长短。 在一定范围内，直线传播具有优良的光束辐射性和方向性。 目前腹部超声成像使用的频率范围在2MHZ到5MHz之间，最常用的是3NHZ到3.5MHz（粒子每秒振动一次为1Hz，1MHz=10^6Hz，即振动100万次每秒次数）
超声波特性
1、超声波在液体中传播时，能在界面上产生强烈的冲击和空化作用。
2、超声波可以在气体、液体、固体、固溶体等介质中有效传播。
3、超声波会产生反射、干涉、叠加和共振。
4、声波可以传递强大的能量。
超声波效应的利用
超声波检查
超声波频率高，波长短，方向性好，能穿透不透明物质。 超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声波成像等技术正是利用这一特性制成的。 超声成像是一种利用超声波呈现不透明物体内部图像的技术。 换能器发射的超声波通过声透镜聚焦在不透明样品上，样品发射的超声波携带着被照射部分的信息（如反射、吸收和散射声波的能力），并会聚通过声透镜上的压电接收器，将产生的电信号输入到放大器，利用扫描系统可以将不透明样品的图像显示在荧光屏上。 上述装置称为超声显微镜。 超声成像技术已广泛应用于医学检查，用于微电子器件制造以检查大规模集成电路，并用于材料科学以显示合金中不同成分的区域和晶界。 声全息术是一种声学成像技术，它利用超声波的干涉原理，记录和再现不透明物体的立体图像。 其原理与光波全息术基本相同，只是记录方式不同（见全息术）。 用同一个超声信号源激发放置在液体中的两个换能器，它们分别发出两束相干超声波：一束穿过被研究物体成为物体波，另一束作为参考波. 物体波与参考波相干叠加在液面上形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光照射时产生的衍射效应得到物体的重建图像。反映在声全息图上，通常用照相机和电视机进行实时观察。
超声处理
利用超声波的机械效应、空化效应、热效应和化学效应超声波是电磁波吗，进行超声波焊接、钻孔、固体破碎、乳化、脱气、除尘、锅垢去除、清洗、杀菌、促进化学反应和生物研究等，广泛应用于工、矿、农业、医疗等各个领域。
超声波流速传感器的应用
超声波传感器利用超声波检测技术将检测到的超声波转换成电信号。 它们通常分为两类：
第一类是利用流速变化的时间差法、频率差法和相位差法。 其基本原理是通过检测超声波在前后液体中的传播时间差来反映流速，因此又称为传播速度差法。 时差法和频差法消除了温度对检测的影响，因其测量精度高而得到广泛应用；
第二种是利用超声波随流速发生位移，反映流速，称为多普勒超声流速法。 将超声波发射到明渠中的液体中，超声波携带着流动液体中的流速，再由接收探头即换能器将信息传送给微处理器进行数据处理，最终得到流速。
超声波传感器是非接触式测量仪器，不阻碍液体流动，测量精度高。
超声波速度传感器的分类及原理
多普勒法原理
多普勒频移法的原理是基于声波的多普勒原理。 当声源和接收器相对运动时，接收器接收到的声波频率会发生相应的变化。 当声源产生的波（声波、电磁波、光波等）向接收方向传播时，接收器接收到的波的频率会增加； 当波源传播远离接收器的方向时，接收器接收到的波的频率将降低。 当观察者与声源有相同的运动时，也可以推导出这种现象。 这种现象称为多普勒效应。 由于明渠流体中含有固体颗粒，固体颗粒可以反射超声波。 超声波的频率会随着水流的流动而产生相对于接收器不同频率的声波。 通过分析频率和流速之间的关系可以得到流速。 测量原理图如下。
相位差法
直接时差法原理及算法校正
是流速方向与超声波传播方向之间的夹角。 为锐角时，称为正向流； 当它是一个钝角时，它被称为逆流。 在动态介质（流体）中，与静态介质（流速为零）相比，向前流动时超声波信号传播速度加快，传播时间缩短。 类似地，当流动在上游时，超声波信号传播速度降低，传播时间增加。 超声波信号在上行方向的传播时间存在差异（即差异）。 当超声波横向通过流动的液体时，在顺流和逆流介质中，超声波的传播速度不同而形成速度差（时间差）。 图中A、B为两个超声波换能器，V为液体流量，H为明通道宽度，θ为超声波进入液体的入射角。 t1为换能器A发射B接收时超声波在明渠中的传播时间，即下行时间； t2为换能器A、B接收时超声波在明渠中的传播时间，即上行时间。
具体方法如下：当超声波从A向B顺流发射时，声波基本顺流传播，速度快，时间短，其传播时间为：
t1 = L /( c +v*cos)
超声波从B向A逆流发射时，逆流传播速度慢，时间长，即：
t2 = L / (c – v*cosθ)
式中：L为两换能器之间的距离； c为超声波在静止流体中的流速； v为被测流体的平均流速； θ是两条超声波换能器线与管道之间的锐角。
两个传播方向的时间差Δt为：
Δt = t2 – t1 = 2Lvcosθ / (c2 – v2 cos2 θ)
由于v << c，v2 cos2 θ可以忽略，所以Δt = t2 – t1 = 2Lvcosθ /c2
即 v = c2Δt / ( 2Lcosθ
大号=
当流体中的声速c一定时，流体的流速v与Δt成正比，通过测量时间差可以得到流速v，进而得到流量。值得注意到一般液体中的声速往往在1 500米/秒左右，而流体的流速只有每秒几米。 如果要求流速测量精度达到1%，则需要声速测量精度
~
这是很难实现的，更何况声速受温度的影响也不容忽视，因此这种方法不易实现精确的流量测量。 本文提出了另一种测量方法——速度差法，可以有效解决上述问题。
速度差法流量测量的测量原理是：超声波从A向B下游发射时，
c + v*cosθ = L /t1
当超声波从B向A逆流发射时，
c – v*cosθ = L /t2( 7)
因此 2vcosθ = L /t1 – L /t2 = L( t2 – t1) /( t1 t2)
设顺流和逆流的时间差为Δt = t2 – t1，所以
v = LΔt / [2t1( Δt + t1 cosθ
从上式可以看出，流体的流速v与声速c之间没有直接关系，从而避免了声速c的测量困难。 同时，该方法不受温度影响，容易获得可靠数据。
频差法
频差法是在相位法和直接差分法的基础上发展起来的。 被测流体中有两条通道，顺流通道和逆流通道。 一个通道顺流传输超声波，另一个通道逆流传输超声波。
当下游产生超声波时，接收到的超声波频率既
;
超声波向上游传输时，接收到的超声波频率为
;
频差
,
明渠流速
.
频差法在流速测量公式中不包含超声波速度C，因此受温度影响较小，测量效果比相位法更准确。
超声波传感器的优缺点
适用频率范围小
目前的超声波传感器频率比较固定，比如40KHz的传感器只能在38-42KHz使用。 目前几乎没有频率范围较宽的传感器，如40KHz~500KHz等产品。
高驱动电压
超声波传感器的驱动电压一般在100Vp-p到1500Vp-p之间。 许多低压设备需要脉冲变压器升压，这会带来一些不必要的麻烦。 缩小超声波传感器的适用范围。
灵敏度低
主要是由于超声波传感器多采用压电陶瓷材料超声波是电磁波吗，其材料的局限性导致其灵敏度达不到其他传感器的精确灵敏度。
适用距离范围小
由于超声波频率高，在介质中传播时衰减快，所以超声波传感器的传播距离短，无法达到。
超声波传感器在其他领域的应用
超声波位置传感器
超声波位置传感器采用超声波回波定位原理，利用时差测量技术检测传感器与目标之间的距离，采用小角度、小盲区超声波传感器，具有测量准确、非接触式、防水、防腐蚀、成本低。 ,主要应用于液位、料位、料位检测等。
超声波位置传感器的基本原理是：系统从发射传感器发出超声波脉冲，发射到被测物体反射后返回到接收传感器，测量超声波脉冲从发射到接收所需的时间，然后根据声速在介质中的传播速度，可以得到传感器到被测物体的距离，从而确定位置。 考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿对传播速度进行修正，以提高测量精度。计算公式为
式中：s为被测距离； 它是发射超声波脉冲和接收其回波之间的时间差； 是超声回波的接收时间； p 是发射超声波脉冲的时间。 使用MCU的捕捉功能可以方便地测量时间t和时间to。 根据公式计算得到被测距离S。
超声波传感器探伤
对于高频超声波，因其波长短，不易产生绕射，遇到杂质或界面会有明显的反射，方向性好，可以成为射线，定向传播； 在液体和固体中衰减小，穿透能力大。 这些特性使超声波成为无损检测的重要工具。
1、渗透法探伤
穿透式探伤法是根据超声波穿透工件后的能量变化来判断工件内部质量的方法。 穿透法使用两个超声波传感器探头，放置在工件的相对表面上，一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波。 发射波可以是连续波或脉冲波。 检测时，工件无缺陷时，接收能量大，指示值大； 当工件存在缺陷时，由于部分能量被反射，接收到的能量较小，指标值较小。 根据这种变化，可以检测出工件的内部缺陷。
反射法探伤
反射法是根据超声波在工件中反射的不同来检测缺陷的方法。 下面以纵波初级脉冲反射为例说明检测原理。
高频脉冲发生器产生的脉冲（发射波）加到超声波传感器探头上，激发压电晶体振荡产生超声波。 超声波以一定的速度传播到工件内部。 部分超声波遇到缺陷F时被反射回来； 另一部分超声波继续传到工件底面B，也被反射回来。 当缺陷和底面反射的超声波被探头接收到时，又变成电脉冲。 发射波f、缺陷波F、底波放大后显示在显示器的荧光屏上。
荧光屏上的水平亮线为扫描线（时间基准），其长度与时间成正比。 由发射波、缺陷波和底波在扫描线上的位置可以得到缺陷的位置。 缺陷的大小可以通过缺陷波的振幅来判断； 可以通过缺陷波的形状来分析缺陷的性质。 当缺陷面积大于声束截面时，声波全部从缺陷处反射回来，荧光屏上只有T波和F波，没有B波。 当工件无缺陷时，荧光屏上只有T波和B波，没有F波。
超声波探伤的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害、能够对缺陷进行定位和量化。 但超声波探伤显示缺陷不直观，探伤技术难度大，易受主客观因素影响，探伤结果不便保存等，因此超声波探伤也有其局限性.
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