24. Ультразвуковые датчики

Работа 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. В УД 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, т.к. возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнитострикционные преобразователи. 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.

Эхолот — прибора для измерения глубины моря. 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:

Аналогично действует ультразвуковой локатор, определяющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении.

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

25. 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.

М

агнитострикционный излучатель стержневого типа представляет собой набор тонких листов из ферромагнитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще всего никель и его сплавы, а также ферриты. Форма пластины показана б. Если стержень из ферромагнитного материала находится в переменном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и разжиматься, т. е. деформироваться.

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.

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резонанса, когда частота возбуждающего поля совпадает с частотой собственных упругих колебании стержня, которая определяется l — длина стержня; Е — модуль упругости; ρ — плотность материала.

В

пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца, к которой приложено переменное напряжение U_x, создающее электрическое поле в направлении электрической оси X. Продольный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины по оси X.

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины в направлении механической оси Y

Частота собственных продольных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси X:

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

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