试论超声波探测仪的应用及调试

摘要:超声波穿透性较强,具有一定的方向性,传输过程中衰减较小,反射能力较强,利用超声波发射与接收的时间间隔可以测量距离、厚度和实现自动控制。文章主要就超声探测仪的应用及调试进行了阐述。

关键词:超声波 发射 接收 距离

超声波是一种频率在20KHz以上的机械波,在空气中的传播速度约为340m/S(20℃时)。超声波可由超声波传感器产生,常用的超声波传感器两大类:一类是采用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波,目前较为常用的是压电式超声波传感器。由于超声波具有易于定向发射,方向性好,强度好控制,对色彩、光照度不敏感,反射率高等特点,因此被广泛应用于无损探伤,距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。超声波穿透性较强,具有一定的方向性,传输过程中衰减较小,反射能力较强。它的应用广泛,可用于探伤、测量距离、测量厚度和自动控制等。

一、超声波探测原理

超声波探测仪一般由发射器、接收器和报警显示装置组成,如图1所示:

图1超声探测仪结构框图

这里采用的传感器是超声换能器,通常出售的超声换能器在40kHz具最佳转换效率。利用电容传声器和振动膜片性能优良的扬声器也可作为传感器用。超声波发射器不是单独发射一个个的脉冲,而是一串串几个脉冲的脉冲串,并对测量逻辑电路提供一个短脉冲;超声接收器接收发射器发射的脉冲串,同样也对测量逻辑电路提供另一个短脉冲。再利用双稳电路把上述的两个短脉冲转换成一个方脉冲,这个方脉冲的宽度就等于上述两个短脉冲之间的时间间隔,测量这个方脉冲的宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。

二、应用

超声的研究和发展,与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨,其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流,吹动圆形刀口振动形成共振腔,从而产生超声波。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低,所以经过不断改进,至今仍广泛地用于超声处理技术中。

(一)测厚度

超声波检测厚度的方法是将超声波探头与被测表面接触,使探头发出超声波到达被测物体底面反射回来,该信号又被探头接收,发射与接收的超声波之间的时间间隔为t,这样被测物体的厚度即可用下式得到:h=ct/2,式中c为超声波的传播速度。

(二)测物位

在化工、石油、冶金及电力等部门中可用超声波测油位、水位、粉位。让超声波探头发射超声脉冲信号,当信号到达物位面(水、油、粉)后返回,并被探头接收,测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和介质中的传播速度,即可求出物位的高度。

(三)测流量

超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的,进而形成传播时间和相位上的变化,由此可求得流体的流速和流量。

三、调试

发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内),谐振频率由调谐电路的电感、电容决定,发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件,发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定,频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端,使其振动发出超声波。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40kHz,这样才能使其工作在谐振频率,达到最优的特性。

发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一支发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收电路的设计就相对简单一些。但是,每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值,即当工作电压超过了这个极限值之后,会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。因此,工作电压不能超过这个极限值。同时,发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小,发射强度大,仪器分辨率低,适宜于探测厚度大,对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大,分辨率高,在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。整个探测装置共用了7块集成电路和2只晶体管,装配的电路并不复杂,但需经过下列的调试:

(1)在接收器上,因为放大器的增益较大、频带较宽,因此寄生反馈容易引起不稳,应注意放大输入级与输出级的隔离。

(2) 2个换能器必须并排安装并对着同一方向。两换能器之间的距离不能太大亦不能太小,它们中心线的距离在30~40cm之间,彼此不会互相干扰。

(3)将IC2从插座上拔出,把IC1的4脚接到9V电源上,用示波器观察其3脚的波形应为连续的方波。调节RP1其频率亦应改变。

(4)将电路恢复正常状态,用示波器或交流毫伏表来测量输出脉冲的强度,调节RP1使接收到的信号强度最大。

四、结语

超声波检测的应用十分广泛,除上述应用外,还广泛用于无损检测,由换能器构成的声纳,可探测海底礁石和鱼群。另在医学上用于诊断病因,在建筑工程中用于探测混凝土的内部空洞、表面缺陷、裂缝深度,在考古上探测文物位置等。利用超声波实现了非接触距离测量,随着对超声波测距影响因素的研究,测量精度将不断提高。

参考文献:

[1]卢世魁等.超声探测仪的研究[J].工矿自动化,2002,(3)

[2]赵珂.时差法超声测距仪的研制[J].国外电子器件,2005,(1):65-67

[3]汤锋.超声波近程探测理论及技术研究[D].南京:南京理工大学,2004,7

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