超聲波探頭（換能器）的工作原理及應(yīng)用

常用的超聲波頻率為40KHZ——25MHZ。一般市面上經(jīng)常用到超聲波探頭的頻率大概是1MHz-10MHz.

　　

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振動（橫波）及縱向振動（縱波）如上圖1和下圖2所示。

　　在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱波。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播衰減較小且傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅、醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
　　超聲波傳感器（超聲探頭）主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。壓電伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。1-3型壓電復(fù)合材料具有高靈敏度、高機(jī)電耦合系數(shù)等一系列有點(diǎn)，因此它是目前應(yīng)用最廣泛的復(fù)合晶片之前。目前可以生產(chǎn)1-3型壓電復(fù)合材料的頻率為0.1MHz～15MHz。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。如下圖就是超聲測厚中雙晶探頭的結(jié)構(gòu)。

　　由發(fā)送傳感器、接收傳感器(、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進(jìn)行檢測.而實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。
工作模式
　　超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物體進(jìn)行非接觸的檢測，也就是常說的無損檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測，其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響包括煙塵環(huán)境和雨天。
檢測范圍和聲波發(fā)射角
　　超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，檢測距離越大，如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達(dá)8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測相對較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12°至15°的傳感器能夠檢測具有較大傾角的物體，如下圖所示是斜探頭發(fā)射聲波的角度范圍。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測安裝空間有限的場合。

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。