Ультразвуковые датчики

Глава 13

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАТЧИКИ

§ 13.1. Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимо­действии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ульт­развуковым относят механические колебания, происходящие с ча­стотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых ко­лебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных сре­дах зависит от свойств среды. Например, скорость распростране­ния этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей —от 1100 до 2000, для твердых мате­риалов— от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная способность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках ин­формация о различных неэлектрических величинах получается бла­годаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазо­вого сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнито-стрикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезо­электрические датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразвукового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразву­ковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные излучатели ультразвука  используют яв­ление деформации ферромагнитов в переменном магнитном поле.

Рекомендуемые материалы

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче пе­ременного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультра­звуковые колебания, направленные вертикально вниз.

Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэлементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в во­де:

                                                    h=vt/2.                    (13.1)

Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, опреде­ляющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направ­лении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют орга­ны ориентировки, действующие по прин­ципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем зву­ковые, поскольку энергия пропорцио­нальна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется на­правленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефекто­скопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультра­звуковые датчики используются в приборах для измерения расхо­да, уровня, давления.

§ 13.2. Излучатели ультразвуковых колебаний

В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектриче­ские излучатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электронных генераторов, вырабатывающих переменное напряже­ние с частотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное воз­буждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа (рис. 13.2, а) представляет собой набор тонких листов из ферромагнитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще все­го в магнитострикдионных излучателях используется никель й его

сплавы (инвар и монель), а также ферриты. Форма пластины по­казана на рис. 13.2, б.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в пе­ременном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и разжиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного изменения длины  стержня из никеля от напряженности маг­нитного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебаний деформа­ции будет в два раза больше частоты переменного возбуждающе-

го поля. Для получения больших механических деформаций ис­пользуют постоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой (рис. 13.3).

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резо­нанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебаний стержня, которая определяется по формуле

где / — длина стержня; Е — модуль упругости; р — плотность ма­териала.

Для никелевого стержня длиной /=100 мм частота собствен­ных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает пример­но 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соот­ветствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне мож­но возбудить и колебания на высших гармониках (при соответ­ствующем креплении стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено переменное напряжение U_х, создающее электрическое поле в на­правлении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обрат­ный пьезоэффект заключается в деформации пластины по оси X.

При этом относительное изменение толщины пластины

                                                                        (13.3)

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пла­стины в направлении механической оси У. При этом относительное изменение длины пластины

                                                                       (13.4)

Как видно из (13.3), продольная деформация не  зависит от раз метров пластины, а поперечная де­формация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения l/а. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональ­ность между величиной деформа­ции и напряжением. При больших напряжениях деформация увеличи­вается не столь быстро и при 1)х= =25 кВ оказывается на 30% мень­шей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний до­стигает максимума при равенстве частоты приложенного напряжения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в на­правлении оси X:

Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси У:

Для кварцевых пластин f₀=285/c [кГц] и f/=272,6// [кГц], где раз­меры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические из­лучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.

§ 13.3. Применение ультразвуковых датчиков

Вместе с этой лекцией читают "Часть 3".

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах исполь­зуется свойство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скоро­сти распространения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — транс­форматорное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффи­циентах отражения полученный отраженный сигнал вполне доста­точен для измерения положения уровня раздела двух сред. Мерой

уровня является время распространения колебании от источника излучения к границе раздела и обратно к приемнику. Эти величи­ны уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести изме­рение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

 В ультразвуковых уровнемерах используется в основном им­пульсный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэле-мент может попеременно работать то излучателем, то приемником ультразвука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генерато­ра 2 подаются по кабелю к пьезоэлементу датчика /, который из­лучает ультразвуковые колебания в измеряемую среду. Эти колеба­ния отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезо­элементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 3 и подается на измерительное уст­ройство 4, определяющее время между посылкой импульса генера­тором 2 и приходом импульса в усилитель 3. В результате много­кратного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых им­пульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса. Ультразвуковые уравнемеры обеспечивают точность в 1% при из­мерениях уровня в 5—10 м в условиях высокой температуры, вы­сокого давления, большой химической активности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. По­этому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со ско­ростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 и 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в не­сколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя 4 работает то излучателем, то прием­ником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае — вычита­ются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэле-ментами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора вы­полняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости рас­пространения ультразвука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуко­вых датчиков довольно сложны.