超聲波液位計換能器材質選擇及工作性能

應用超聲波液位計進行測量, 首先要解決的問題是如何發射和接收超聲波, 這就要用到超聲波換能器。超聲波換能器是整個電路中***關鍵的器件, 又稱為超聲波探頭。它的作用是完成電能與聲能的相互轉換。發射換能器將其他形式的能量轉換成超聲能量,接收換能器將超聲能量轉換成其他易于檢測的能量。
 
超聲波液位計探頭使用***多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和發射是基于壓電晶片的壓電效應和逆壓電效應工作的。壓電效應的機理是具有壓電性的晶體對稱性較低, 當受到外力作用發生形變時, 晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合, 導致晶體發生宏觀極化, 而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影。所以壓電材料受壓力作用形變時, 兩端面會出現異號電荷反之, 壓電材料在電場中發生極化時, 會因電荷中心的位移產生機械壓力或拉力, 導致變形。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動超聲波和交流電的互相轉換。其工作原理是當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動, 即可發射超聲波脈沖, 此即逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時, 晶片受壓迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號,此為正壓電效應。前者是超聲波的發射, 后者為超聲波的接收。壓電晶片的振動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, 為得
到較高的頻率, 要使晶片在諧振狀態下工作, 此時晶片厚度為波長。
 
常用的壓電材料一「主要有錯欽酸鉛、欽酸鋇、妮酸鉛, 、妮酸鏗、、硫酸鏗、石英等, 其中壓電薄膜材料除了具有良好的物理性能外, 在厚度、面積上有很大的選擇余地, 易于加工且頻率范圍寬, 常用來制成一的超聲換能器。
 
石英晶體作壓電材料的超聲波換能器
壓電晶片的振動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固有的諧振頻率, 即中心頻率。, 為得到較高的頻率, 要使晶片在諧振狀態下工作。發射超聲波時, 加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率。一致接收超聲波時, 作用在其上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣, 超聲波傳感器才有較高的靈敏度。


上一條：超聲波液位計故障分析及維護策略分析及維護策略之三
下一條：如何處理雷達液位計天線附有凝結水或者出現結冰等情況