Реферат по ТП САУ4 / Ультразвуковые датчики

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАТЧИКИ

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 магнитострикционные 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.

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 пьезоэ-лементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука и в воде:

Н = υt/2.

Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, определяющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонталь-лом 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.

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 магнитострикционных излучателях используется ни­кель и 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 ∆l/l стержня из никеля от напряженности магнит­ного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебании деформации бу­дет в два раза больше частоты переменного возбуждающего 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 колебании стержня, ко­торая определяется по формуле

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

Для никелевого стержня длиной l= 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_x, 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

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

Как видно из (13.3), продольная деформация не зависит от раз­меров 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 U_x=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 Y:

Для кварцевых пластин f_a=285/а [кГц] и f₁= 272,6/l [кГц], где размеры пластины выражены в сантиметрах.

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

Применение ультразвуковых датчиков

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 колебаний 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 пьезоэлемент 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 1, 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 З 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 уровнемеры 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 7 и 2 располагаются вдоль тру­бопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в несколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помо­щью переключателя сработает 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 пьезоэлементами, 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.