超声波传感器

　　许多仪器及控制应用中均涉及到超声波传感器，尤其是在流量测量，材料无损检验及物位测量等方面，超声波传感器的应用尤为普遍。
　　广义上来讲，所谓超声波传感器是指那些能够将电脉冲转化为机械能量，发出频率在听力范围以外的声波的设备。根据不同的实际应用情况，产生的频率也不同。如应用在流量测量领域，声波的频率在30kHz到5MHz之间；应用在物位测量领域时，声波的频率会低一些，一般在30kHz到200kHz之间；而当应用在检测装置（如测厚仪和探伤检验装置）上时，声波的频率范围很广，但是总体上来说要比用于其它领域时高很多。

　　一套传播时间式超声流量计系统采用一对传感器来测量管道中的液体流量。每个传感器内部装有一个压电晶体，可以将电脉冲转化为在超声波频率范围内的机械声脉冲，反之亦然。在测量过程中，传感器交替的作为发射器或接收器工作。这对传感器分别被安装在管道的上下游位置，使得某一时刻上游传感器产生的声脉冲向流体下游传播，并最终被下游的传感器接收；而在另一时刻，声脉冲则朝相反方向，即流体的上游方向传播。上下游声脉冲传输时间的差别是与被测介质的流量成正比关系的。

　　基本设计
　　一个典型的用于传播时间式超声流量计系统的传感器由压电晶体，外壳，阻抗匹配器及灌封剂组成。这样设计的目的是最大化传入流体介质中的能量，消除回波影响，并衰减结构中的铃振现象，扩大传感器的使用带宽。
　　为了将压电晶体信号的衰减定量化，M.G. Silk在其所著的书中对超声波传播作了以下假设：
　　W = (ZD-ZA)(ZD-ZB)/(ZD+ZA)(ZD+ZB)
　　其中：
　　W=一次震荡周期中的能量损耗的平方根或第n个周波和第n-1个周波振幅的比值
　　ZD=压电晶体的声阻抗
　　ZA=阻抗匹配器的声阻抗
　　ZB=灌封剂的声阻抗
　　根据实际选用的材料，传感器可以设计成下列三种不同的类别之一：
　　■窄带宽：压电晶体的铃振时间很长，W>0.75
　　■中等带宽：根据Silk的观点，这一类型的传感器可以使用在大多数的超声波应用场合中，W～0.3
　　■宽带宽：短信号，W<0.1
　　传感器应用范围：
　　■对于典型的火炬气应用（见图），所有的传感器都可以使用1/4波匹配技术，并采用金属外壳对传感器元件进行密封以避免腐蚀性介质对其的损坏。因为声波的发射窗相对于100kHz声波的波长来说很小，所以这一环节的能量损耗也非常小。
　　■对于典型的液体流量测量应用，压电晶体直接被粘结在金属外壳上，而不需要任何的阻抗匹配层。
　　翻译：郦杭川