超聲波范文

導(dǎo)語：如何才能寫好一篇超聲波，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

現(xiàn)在酒后駕車出車禍越來越多了，雖然交警嚴(yán)格管制，但是事故還是頻頻發(fā)生。因此，我想發(fā)明一種超聲波汽車，來防止這類事故發(fā)生。

這款汽車的外形跟普通汽車相差無幾，可它既有普通汽車有的功能，又有普通汽車沒有的功能。比如你外出喝了酒正想打開車門回家時，卻發(fā)現(xiàn)你即使使出渾身解數(shù)也開不了車門，是你忘了開車鎖？NO！這是因為車上的“超聲波酒精探測裝置”發(fā)出的超聲波已經(jīng)吸收了一些酒精“帶”回了接收器，車門自動鎖上，除非有沒喝過酒的人代駕，否則你甭想開車回家了。

當(dāng)你開車外出旅游汽油用光時，卻找不到加油站，怎么辦呢？不用擔(dān)心，現(xiàn)在有了超聲波汽車。超聲波汽車已經(jīng)把太陽光轉(zhuǎn)化為能量，人們開車再也不需要昂貴的汽油了。

這款超聲波汽車還有更妙的功能呢！普通車輛很容易超載、超速，而超聲波汽車絕對不會出現(xiàn)這種情況。只要你超出一丁點兒重量，超聲波就會發(fā)出警報，就像電梯超載了一樣不走了，只有減少重量才可以行駛。有一些剛學(xué)會駕駛的司機很容易把油門當(dāng)剎車，很多慘劇就是這樣釀成的，可是駕駛超聲波汽車時，如果出現(xiàn)險情，你在慌亂之下，誤踩油門時，超聲波早已把探測到的無線電波傳送到剎車系統(tǒng)里了，剎車自動工作，而你踩下的油門根本起不了作用。要是你控制不了車速怎么辦？比如高速公路上限速120公里，你卻依然狠踩油門，這時超聲波會形成一個小阻礙在油門下方，油門再也踩不下去了。

我相信這款實用的多功能超聲波汽車將會受到越來越多消費者的喜愛！

篇2

斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠憑什么來辨別前方的物體，捕捉靈活的飛蛾呢？于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。結(jié)果，蝙蝠在空中還是飛得那么敏捷、輕松。

最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把它們放到夜空中。這次，蝙蝠可沒有了先前的神氣。它們像無頭蒼蠅一樣在空中東碰西撞，很快就跌落在地。

啊！蝙蝠在夜間飛行，捕捉食物，原來是靠聽覺來辨別方向、確認(rèn)目標(biāo)的！斯帕拉捷的實驗，揭開了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽”到?jīng)]有聲音的物體呢？

后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人耳聽不見的“超聲波”，這種聲音沿著直線傳播，一碰到物體就像光照到鏡子上那樣反射回來。如圖所示，蝙蝠用耳朵接收到這種“超聲波”，就能迅速作出判斷，靈巧地自由飛翔，捕捉食物。

超聲波的特點與應(yīng)用

超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。

如圖所示，超聲波清洗機由超聲波發(fā)生器發(fā)出的超高頻率超聲波，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻率振動而傳播到清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相間地向前傳播，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在超聲波的作用下振動，使得待清洗物體上的固體粒子脫離，從而達到清洗加凈化的目的。

現(xiàn)在人們將超聲波運用到臨床醫(yī)學(xué)上，獲得了巨大成功。例如治療癌癥的“超聲聚焦刀”，就是利用超聲波作為能源。很多束超聲波從體外發(fā)射到身體里去，在發(fā)射透射過程中間發(fā)生聚焦，聚焦在一個點即腫瘤上，通過聲波和熱能轉(zhuǎn)化，在0.5～1秒內(nèi)形成一個70℃～100℃高溫治療點，這個高溫點好比是一個手術(shù)刀在切割腫瘤，焦點區(qū)的腫瘤無一幸免。超聲聚焦刀使腫瘤組織產(chǎn)生凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉(zhuǎn)移能力。此機原理類似于太陽灶聚陽光于焦點處產(chǎn)生巨大能量。所以有人將超聲聚焦比做一把體外操作、體內(nèi)切割的“刀”。

在醫(yī)學(xué)中，可以把超聲波送入體內(nèi)，經(jīng)過技術(shù)處理，在熒光屏上顯示出人體內(nèi)臟清晰的圖像，這種技術(shù)就是所謂的B超檢查。超聲波檢測的原理用于工程上，可以用來檢測工件內(nèi)隱藏的裂紋、砂眼、氣泡等，成為工程師的“眼睛”。

超聲波能在水中傳播很遠(yuǎn)的距離。比如，30000 Hz的超聲波在空氣中傳播24 m時，強度會減弱過半，而在水里它要傳播44 km才會減弱過半，是空氣中傳播距離的2000倍。

第一次世界大戰(zhàn)的時候，德國潛水艇頻頻襲擊英國和法國的巡洋艦。法國科學(xué)家朗之萬心急如焚，發(fā)明了一種叫聲吶的儀器。聲吶由超聲波發(fā)生器和接收器兩部分組成。聲吶發(fā)出超聲波，接收和測量回聲，可以確定目標(biāo)的位置、形狀，甚至還能分析出敵方潛艇的性能。

聲吶技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，它可以用于考查海底，畫出精確的“地貌聲圖”，誤差不超過20 cm。

篇3

【關(guān)鍵詞】超聲波探傷；探頭；聲速

超聲波檢測應(yīng)用的特點

在無損檢測領(lǐng)域，超聲波檢測是四大常規(guī)無損檢測技術(shù)（超聲、射線、磁粉、滲透）之一，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)。與其它幾種常用的無損檢測方法相比，超聲檢測有以下特點：⑴面積型缺陷的檢出率較高，而體積型缺陷的檢出率較低。對體積型缺陷的體積大小定位較為困難。⑵適合檢驗厚度較大的工件。超聲波對鋼有足夠的穿透能力，目前超聲波探頭的穿透能力可達10米。因此，對厚大產(chǎn)品的界面回波和缺陷回波的定位和分辨都比較容易。⑶應(yīng)用范圍廣。超聲波探傷應(yīng)用范圍包括焊縫、板材、管材、棒材、鍛件、鑄件、以及復(fù)合材料等。在探測材料的內(nèi)部缺陷方面，超聲波檢測與射線檢測相比，具有成本低、效率高、檢測方便等優(yōu)點。⑷超聲檢測與射線檢測相比，對缺陷在工件厚度方向上的定位較準(zhǔn)確。⑸材質(zhì)內(nèi)部的成分偏析、粗大的晶粒、細(xì)小的異質(zhì)夾渣物等，都對超聲檢測的精度造成影響。此外，粗大的晶粒或石墨界面還會對聲波的能量造成嚴(yán)重的衰減，降低聲波的穿透能力。⑹比較適合檢測外形輪廓簡單的工件。⑺無法得到缺陷直觀圖像，定性難，定量精度不高。⑻檢測結(jié)果無直接見證記錄。

超聲波的基本定義

機械振動在彈性體中的傳播稱之為聲波。如果以頻率f來表征聲波，并以人的可聞頻率為分界線，則可把聲波劃分為次聲波（f20kHz）。在超聲波檢測中最常用的頻率范圍為0.5～10MHz。

聲波的特征參數(shù)

頻率f：波在單位時間內(nèi)通過給定點的完整波的個數(shù)稱為波的波動頻率；波長λ：波在一個周期內(nèi)傳播的距離稱為波長；波速c：聲波在單位時間所傳播的距離稱為波速。

三者有以下關(guān)系：c=λf

聲波的分類

波的種類以質(zhì)點的振動方向與傳播方向的關(guān)系來區(qū)分的，它分為縱波、橫波、和表面波。

⑴縱波：介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波。⑵橫波：介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向向垂直的波。⑶表面波：介質(zhì)表面的質(zhì)點產(chǎn)生繞其平衡位置作橢圓軌跡的振動的波，表面波只能沿固體表面?zhèn)鞑ァＢ暡ㄓ挚梢苑譃檫B續(xù)波、脈沖波等。連續(xù)波：介質(zhì)各質(zhì)點振動持續(xù)時間為無窮的波動。脈沖波：介質(zhì)各質(zhì)點振動持續(xù)時間有限的波動。目前廣泛使用的超聲波檢測，發(fā)射的均為脈沖超聲波。

超聲波檢測儀的構(gòu)成

超聲波檢測系統(tǒng)主要由超聲檢測儀、探頭、連接線、耦合劑、試塊等構(gòu)成。

超聲波探頭

超聲波探頭又叫換能器。主要作用是發(fā)射和接收高頻的超聲波。

超聲探頭的分類

超聲波探頭的種類很多，根據(jù)波型不同，可分為縱波探頭、表面波探頭、橫波斜探頭等，根據(jù)耦合方式不同可分為接觸式探頭、水浸探頭，電磁耦合探頭等。根據(jù)波束的發(fā)散情況可分為聚焦探頭和非聚焦探頭。根據(jù)晶片的數(shù)量可分為單晶探頭、雙晶探頭。

試塊

為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可對比性，探傷檢測也必須使用試塊，來作為探傷判斷的標(biāo)準(zhǔn)。

軋輥探傷系統(tǒng)常用試塊

⑴標(biāo)準(zhǔn)試塊 標(biāo)準(zhǔn)試塊要求試塊內(nèi)部材質(zhì)均勻，雜質(zhì)少，無影響使用的缺陷，具有良好的聲學(xué)特性。標(biāo)準(zhǔn)試塊通常采用20號碳鋼制作，試塊探測面光潔度一般不低于1.6μm，尺寸公差±0.05mm。⑵CSK-ⅠA試塊 CSK-ⅠA試塊是我國在ⅡW試塊的基礎(chǔ)上改進后得到的，主要有三點改進。①將φ50mm的直孔改為φ50mm、φ44mm和φ40mm臺階孔，以便于測定橫波斜探頭的分辨力。②將R100mm的單一圓弧面改為R100mm和R50mm的階梯圓弧面，以便于調(diào)整橫波掃描速度和探測范圍。③將試塊上標(biāo)定的折射角改為K值（K=tgβ），從而可直接讀出橫波斜探頭的K值。（3）對比試塊 軋輥探傷用對比試塊為φ5平底孔試塊，試塊尺寸在國標(biāo)GB/T1503-2008中有詳細(xì)規(guī)定。

軋輥的超聲檢測

準(zhǔn)備工作

⑴了解檢測產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方法，工藝特點，以及該產(chǎn)品主要的缺陷種類。⑵充分了解所使用儀器和探頭的組合性能，現(xiàn)場使用環(huán)境，有無強磁、振動等。⑶所要檢測產(chǎn)品的規(guī)格、廠家以及技術(shù)要求等細(xì)節(jié)。⑷備齊需要的探頭、連接線、耦合油、刷子等檢測工具。⑸檢測前要對不同平底孔試塊進行當(dāng)量校準(zhǔn)，測定聲速和所使用探頭的探頭延時等。

儀器和探頭的選用

儀器：⑴儀器的垂直線性和水平線性良好。⑵儀器的靈敏度余量要高（即可調(diào)的dB值范圍大），信噪比高，功率大。⑶儀器的盲區(qū)盡量小，分辨率高。⑷鑒于軋輥的檢測條件，應(yīng)盡量選用便攜式、數(shù)字式儀器，儀器的熒光屏亮度高、防護能力和抗干擾能力強，操作界面應(yīng)盡量選用中文界面的儀器。

探頭：

⑴首先保證探頭的性能（即選擇探頭的品牌）。⑵探頭頻率的選擇。⑶探頭種類的選擇。⑷晶片尺寸的選擇。⑸斜探頭K值的選擇。⑹檢測較為粗糙的表面時，為了提高耦合效果和保護探頭，應(yīng)盡量帶軟保護膜的探頭。

缺陷的定量

對于超聲波檢測來說，當(dāng)缺陷的尺寸小于聲束截面時，缺陷的定量有多種方法，比如缺陷回波高度法、底面回波高度法、當(dāng)量評定法、當(dāng)量計算法等，對于軋輥探傷來說，最常用的是當(dāng)量評定法。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時，就不能采用當(dāng)量法了，這時測定缺陷的面積要根據(jù)檢測到缺陷的探頭移動范圍來確定缺陷的大小，通常稱為缺陷的指示長度或指示面積。檢測方法最常用的為6dB法或半波高度法、端點6dB法、端點峰值法等。

影響定量的因素

⑴缺陷的形狀。⑵缺陷的輪廓和表面光潔程度。⑶缺陷的取向。⑷缺陷的性質(zhì)。

非缺陷回波

⑴探頭雜波。⑵工件輪廓回波。⑶幻象波。

中心縮松或縮孔

中心縮松在輥頸檢測中比較常見，通常位于中心部位。縮松引起的原因是最后凝固的部位沒有金屬液補縮造成。縮松會造成聲波的明顯衰減，嚴(yán)重時底波不可見。

表面裂紋及垂直裂紋

表面垂直裂紋通常是軋制過程中形成疲勞裂紋或者事故裂紋，這時裂紋的深度通常使用斜探頭進行檢測。

篇4

關(guān)鍵詞： 超聲波檢測 混凝土缺陷 檢測

混凝土構(gòu)件在制作或使用過程中，經(jīng)常因為管理不善或受環(huán)境及意外損傷的影響，其內(nèi)部可能出現(xiàn)蜂窩狀不密實區(qū)或空洞。這些缺陷的存在會嚴(yán)重影響構(gòu)件的承載力和耐久性，采用有效方法查明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的性質(zhì)、位置、范圍及尺寸，以便進行技術(shù)處理，是工程建設(shè)中的一個重要內(nèi)容。

1超聲波檢測混凝土缺陷的基本原理

目前，在檢測混凝土構(gòu)件的缺陷方面，超聲無損檢測的應(yīng)用比較廣泛。其主要方法是：首先測出超聲波在混凝土構(gòu)件各段的傳播速度，再比較所測速度值的差異，找出有突變的地方，進行分析，從而判斷缺陷的形態(tài)、范圍等。超聲波檢測儀器比較簡單，便攜，操作比較方便，所以被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測。

2超聲波檢測混凝土缺陷的方法

2.1平測法

當(dāng)構(gòu)件具有兩對相互平行的測試面時，可采用對測法，在測試部位兩對相互平行的測試面上，分別畫出200～300mm等間距的網(wǎng)格并編號確定對應(yīng)的測點位置然后將T、R換能器經(jīng)耦合劑分別置于對應(yīng)測點上，逐點記錄相應(yīng)的聲時（ti）、波幅（Ai）和頻率(fi)，并量取測試距離（L）。

2.2斜測法

當(dāng)混凝土被測部位只能提供兩個相對或相鄰測試表面時，可采用斜測法檢測。檢測時，將一對T、R換能器分別耦合于被測構(gòu)件的兩個表面，兩個換能 器的軸線不在同一直線上。檢測混凝土梁、柱的施工接槎、修補加固混凝L結(jié)合質(zhì)量和檢測混凝土梁、柱的裂縫深度多采用此方法。

2.3鉆孔測法

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于其斷面尺寸較大，如直接進行平面對測，接收到的脈沖信號很微弱，甚至無法識別首波的起始位置，不利于聲學(xué)參數(shù)的讀取和分析。檢測時可用兩個徑向振動式換能器分別置于兩測孔中進行測試，或用一個徑向振動式與一個厚度振動式換能器，分別置于測孔中和平行于測孔的側(cè)面進行測試。

3數(shù)據(jù)處理及判斷

混凝土是非均質(zhì)體，各測點處混凝土的質(zhì)量是波動與離散的。任何結(jié)構(gòu)上都能測量到一些低值點，但這些低值點不一定都是缺陷。所以各類超聲檢測規(guī)范中都采用了“概率法”。概率法的基本構(gòu)想是認(rèn)為：

a．正常混凝土質(zhì)量的波動是偶然誤差所引起，是不可避免的，也是允許的，它的分布是符合正態(tài)分布的。同時粗略認(rèn)為，正常混凝土其聲學(xué)參數(shù)也符合正態(tài)分布。

b．缺陷是由過失誤差（漏振、漏漿、架空等）引起。它的分布不符合正態(tài)分布。

c．現(xiàn)在的問題是如何區(qū)別判斷這些低測值點是偶然誤差還是過失誤差所引起，也就是說要定出一個是否是缺陷的臨界值：凡低于臨界值就是缺陷可疑點。

3.1混凝土聲學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計計算：

對于同一構(gòu)件，同一測距的聲速、波幅等聲學(xué)參數(shù)的平均值（mx）和標(biāo)準(zhǔn)差（Sx）應(yīng)分別按下式及步驟計算：

(1)

(2)

式中：――第 i 點的聲學(xué)參數(shù)測量值；

n――參與統(tǒng)計的測點數(shù)。

(1)將測位各測點的波幅、聲速或主頻值由大至小按順序分別排列，即X1≥X2≥⋯≥Xn≥Xn+1，將排在后面明小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個(假定Xn)連同其前面的數(shù)據(jù)計算出mx及Sx值，并按公式 (3)計算異常情況的判斷值。 ( 為異常值判定系數(shù)，可查CECS:21-2000取值)

將判斷值(X0)與可疑數(shù)據(jù)的最大值(Xn)相比較，當(dāng)Xn不大于X0時，則X0及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1進行計算和判別，直至判不出異常值為止；當(dāng)Xn大于時X.0，應(yīng)再將Xn+1放進去重新進行計算和判別；

(2)當(dāng)測位中判出異常測點時，根據(jù)異常測點的分布情況，按下式進一步判別其相鄰測點是否異常。

式中， 、 ，――異常值判斷系數(shù)(當(dāng)測點布置為網(wǎng)格狀時取 ；當(dāng)單排布置測點時(如在聲測孔中檢測)取 )。

4檢測實例

某新建工程，因為懷疑某混凝土柱振搗不密實，對其進行缺陷監(jiān)測。該柱子橫截面積為1400mm×1400mm柱高3400mm。

4.1構(gòu)件布點設(shè)置

檢測儀器為NM-4A型非金屬超聲波檢測儀。采用對測的方法，網(wǎng)格間距為200mm。AA測試面和BB測試面為同一根柱子的同一平行面且分別布置96個測點。測點布置見圖1，圖2。耦合劑采用黃油。

對于AA面，先將聲速由大到小排列，利用公式（1）、（2）、（3），計算出平均值，標(biāo)準(zhǔn)差，和判斷值。結(jié)果分別為：mx=4.390, Sx=0.069, X0=4.230。可見X06-01=4.234< X0,則X06-01為異常值。再將X06-01去掉，用其它值繼續(xù)計算和判別，并未發(fā)現(xiàn)其他異常值。根據(jù)測點的分布情況，在異常值相鄰的測點X06-02, X05-01, X07-01按上述方法繼續(xù)判別。其中 。由計算得出X0=4.277，故其臨近測點無異常。再由同樣方法計算BB面，X0=4.251，則X06-01為異常值。計算其臨近點X06-02, X05-01, X07-01是否異常，則X0=4.298，故其臨近點也無異常。結(jié)合AA面與BB面的測試結(jié)果，缺陷位置基本相同，缺陷位置可以從測點不知立面圖中看出，劃有X的為異常點。

5結(jié)束語

對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土不密實區(qū)和空洞缺陷檢測，不僅在監(jiān)控混凝土的施工質(zhì)量、消除工程隱患、加快施工進度等方面具有很重要的意義，而且對長久使用中的工建筑物進行質(zhì)量鑒定，以便確定繼續(xù)使用還是加固改造或者是推倒重新修建．也具有決定性的作用。

篇5

關(guān)鍵詞：超聲波、廢水、降解、有機物

超聲波是一種高頻機械波，頻率一般在20 kHz～10 MHz之間，具有能量集中、穿透力強等特點。超聲波降解水體中的有機污染物是近年來開始研究的一項新型水處理技術(shù)，它集高級氧化、焚燒、超臨界氧化等多種水處理技術(shù)的特點于一體，可單獨或與其它水處理技術(shù)聯(lián)合使用。超聲波在水中可以發(fā)生空化效應(yīng)，從而降解水體中的化學(xué)污染物，具有氧化、熱解、超臨界氧化等多種特性，且操作簡單方便，降解速度快，無二次污染等，能將水體中有害有機物轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O、無機離子或轉(zhuǎn)變?yōu)楸仍杏袡C物毒性小的有機物，因而在處理難生物降解的有機物方面具有顯著的優(yōu)越性，應(yīng)用前景廣泛，已受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，現(xiàn)在我國在這方面也開始進行了研究，并已有一些研究成果報道[1-2]。

1超聲波處理技術(shù)的研究

1.1超聲波降解機理

一般公認(rèn)為，頻率范圍在15kHz～10MHz的超聲波輻照降解水中的化學(xué)污染物是由超聲空化效應(yīng)引起的物理化學(xué)過程。目前對超聲波降解有機物的機理，眾說紛壇，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為用熱點模型來認(rèn)識聲化學(xué)機理更有說服力。熱點模型的機理為：一定頻率和聲強的超聲波輻照溶液時，液體中微小泡核在超聲波作用下被激化，這是溶液中一種極其復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象，其表現(xiàn)為泡核的振蕩、生長、收縮、崩潰等一系列動力學(xué)過程，在聲波負(fù)壓相作用下迅速崩潰，整個過程發(fā)生在納秒～微妙時間內(nèi)，空化泡瞬間崩潰時就會在其周圍極小空間范圍內(nèi)產(chǎn)生局部高溫（1900-5200K）和高壓（50-100MPa）區(qū)，溫度變化率高達109K/s，即形成所謂“熱點”。進入空化泡中的水蒸汽在高溫和高壓下發(fā)生分裂及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)式如下：

H2O?OH+?H（2.1）

?OH+?OHH2O2（2.2）

2?HH2（2.3）

與此同時，還伴有強烈的沖擊波和時速高達400km的射流產(chǎn)生，使這些具有氧化性的自由基和H2O2進入整個水溶液中，這就為有機物的降解提供了一個極端的物理環(huán)境，水中污染物超聲降解的途徑取決于污染物的物理化學(xué)性質(zhì)。

一般來說超聲空化是通過以下3種途徑來降解水中的有機物：

a.高溫?zé)峤鈁3]

對于易揮發(fā)的有機物，主要參加此類反應(yīng)。由于這些有機物易于進入到空化泡內(nèi)，高溫高壓使其發(fā)生熱裂解斷鍵作用，即類似燃燒化學(xué)反應(yīng)使其徹底降解。

b.超聲機械效應(yīng)

超聲波在媒質(zhì)中傳播時引起媒質(zhì)質(zhì)元的振動，使位移速度加快，從而加快了分子碰撞速度，同時對質(zhì)點施加較大的沖擊力，會導(dǎo)致分子鏈斷裂。

c.自由基氧化還原反應(yīng)

對于不易或難揮發(fā)的有機物，主要參與這類反應(yīng)。由于空化作用產(chǎn)生的都是高反應(yīng)性自由基，含有未配對的電子，性質(zhì)活潑，會和水中其它的分子或自由基相互反應(yīng)，引發(fā)一連串的連鎖反應(yīng)。如自由基的氧化、加成、取代或氯的消除。

當(dāng)然利用超聲波降解水中有機污染物質(zhì)是上述各種機理共同作用，最終將有機物去除，達到凈水的目的。

1.2超聲波降解有機物的影響因素

1.2.1超聲系統(tǒng)因素

包括頻率和聲強或聲功率。一般而言，超聲輻射頻率隨對象不同而不同，高頻（200～900kHz）利于降解，但頻率還與超聲波的衰減有關(guān)。升高聲強強度，有利于氧化反應(yīng)，降解速度隨聲強的增強而增大。

許多研究如對鄰氯酚等超聲波降解作用表明：污染物的降解速率隨聲強的提高呈線形提高。但超過極值后，降解速率隨之而降低。

影響因素主要有溶劑，溶液中飽和氣體的種類，體系蒸汽壓、壓力、溫度等，有機物的種類和濃度，自由基的清除劑（CO32-，HCO3-和天然有機質(zhì)等）以及pH值（不是主要的）或適當(dāng)通氣。這些因素中溶解性氣體存在可提供空化核，穩(wěn)定空化效果，一般來說單原子氣體比雙原子氣體、雜原子氣體更適合。

1.2.3反應(yīng)器結(jié)構(gòu)因素

如反應(yīng)器構(gòu)造、反應(yīng)器內(nèi)是否易建立起混響場和外部能否施加壓力等。目前，超聲波主要有探頭式和槽式兩類間隙式反應(yīng)為主的反應(yīng)器，這類反應(yīng)器不利于污染物的凈化。為推動污染物的連續(xù)凈化，近距離超聲波換能器系統(tǒng)裝置就比傳統(tǒng)的更有效。

1.2.4催化劑因素

添加少量催化劑，如氧化性物質(zhì)、Fenton試劑等，主要是促進空化過程中氣泡界面上氫氧自由基、過氧化氫等氧化性物質(zhì)的產(chǎn)生，提高超聲波降解污染物的氧化強度，加快反應(yīng)速率，促進有機污染物的降解反應(yīng)。

就Fenton試劑[4]而言，具有很強的氧化性，在廢水處理上的應(yīng)用日趨廣泛。其氧化機理主要是利用亞鐵離子作為過氧化氫分解的催化劑，反應(yīng)過程可以生成反應(yīng)活性極高的氫氧自由基，其具有很強的氧化電位。氫氧自由基可以進一步引發(fā)自由基鏈反應(yīng)，從而氧化降解大部分的有機物，甚至使大部分有機物達到礦化。整個反應(yīng)體系的反應(yīng)十分復(fù)雜，其關(guān)鍵是通過Fe2+在反應(yīng)過程中起激發(fā)和傳遞作用，使鏈反應(yīng)可以持續(xù)進行直至H2O2耗盡。

氫氧自由基是一種很強的氧化劑，具有較高的電負(fù)性或親電子性，還具有加成作用，當(dāng)碳碳雙鍵存在時，除非被進攻的分子具有高密度的碳?xì)浣ǎ駝t將發(fā)生加成反應(yīng)。Fenton試劑處理有機污染物的實質(zhì)就是氫氧自由基與有機物發(fā)生反應(yīng)。

2超聲波處理廢水的常用方法

近年來，研究者發(fā)現(xiàn)，單獨使用超聲波降解水體中有機污染物雖然具有操作簡單、方便等優(yōu)點，但從能量消耗來看，不是很經(jīng)濟，且降解速度較慢。為了提高其降解速度同時降低費用，一些學(xué)者相繼研究了幾種超聲波與其它處理技術(shù)相結(jié)合的新工藝，這是一個新興的研究領(lǐng)域，目前尚處于探索階段。

2.1超聲波單一降解法

目前，運用超聲波降解有機污染物的作用機理，眾多研究在不同濃度的污染物處理、不同超聲作用時間、不同溫度、不同水體溶液的pH值等條件下進行探討工業(yè)廢水中有機污染物的降解效果。

Cheistain P等[5]研究了20kHz和50kHz超聲波作用下五氯苯酚在水溶液中的降解。James C等采用超聲波空化技術(shù)研究了氯苯、氯酚、氯代農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑等有機氯化物的脫鹵，并提出超聲脫鹵的反應(yīng)機理。傅敏、高宇[6]等對苯胺采用超聲波處理進行了研究。

2.2超聲-催化劑法

在對超聲波的研究中，催化劑的加入會促進水體中如酚類等憎水性、難揮發(fā)性污染物的降解速度。氧化性催化劑主要包括了過氧化氫、臭氧、次氯酸，它主要是利用了自由基作用原理，使氧化性物質(zhì)空化過程中在液體界面產(chǎn)生自由基，從而促進污染物的降解。Olson、Terese M.、Dahi E等采用的超聲/臭氧氧化法降解水體中的天然有機物；Okouchj等在超聲波降解水體中苯酚的實驗中發(fā)現(xiàn)MnO2、V2O5對苯酚降解也具有催化作用。而Fenton試劑處理十幾分鐘，硝基苯的COD基本可以達到標(biāo)準(zhǔn)。

2.3超聲-紫外光法

用超聲-紫外光凈化處理紡織染料廢水，發(fā)現(xiàn)超聲和紫外光聯(lián)合作用于廢水能大大促進反應(yīng)物和產(chǎn)物在光催化劑表面的轉(zhuǎn)換，從而大大加快反應(yīng)速度。熊宜棟[7]在研究苯胺廢水的超聲波降解實驗時發(fā)現(xiàn)：同時作用于廢水，由于超聲和紫外光的協(xié)同效應(yīng)，使總的降解率比任一單獨效應(yīng)之和要好。

3超聲波處理技術(shù)的研究方向

超聲波雖已應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，能快速便捷降解工業(yè)廢水中的某些污染物，具有很大的潛力，但目前對于此類研究依然存在不足之處。

（1）深入研究機理。目前，大多數(shù)超聲波降解研究主要集中在動力學(xué)和機理上，而對水體中其他溶解性有機污染物聲化學(xué)轉(zhuǎn)化的影響以及降解反應(yīng)過程中中間體性質(zhì)的探討較少。深入研究超聲波空化泡界面的特性，弄清超聲波作用下有機物降解機理，開發(fā)促進降解的催化劑，從而加快反應(yīng)速度，促進有機污染物徹底降解，避免造成環(huán)境的二次污染。

（2）拓展研究領(lǐng)域。目前的研究大多數(shù)停留在單組分模擬體系，而實際污染水系通常含有多種有機污染物。如何針對難降解有機污染物和實際有機廢水展開研究、拓展實驗研究領(lǐng)域、對反應(yīng)過程進行量化描述、增大超聲波技術(shù)處理量等都是需要進一步深入開展的工作。

（3）優(yōu)化反應(yīng)器。改進超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高反應(yīng)效率，從而減少成本，變間歇式處理的實驗室階段到連續(xù)性處理工藝開發(fā)階段，促進超聲波降解技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

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篇6

超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產(chǎn)生局部高溫。

又由于塑料導(dǎo)熱性差，一時還不能及時散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。

當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。

超聲波焊接根據(jù)焊接方式的不同，可分為埋植法焊接、鉚焊法焊接、點焊法和成型。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

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關(guān)鍵詞：超聲波 介質(zhì) 能量 衰減

中圖分類號：TE254 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0116-02

1 壓電陶瓷換能器

壓電陶瓷換能器由壓電陶瓷片和兩種金屬組成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射端的壓電陶瓷固有頻率等于信號發(fā)生器的發(fā)射頻率時，將產(chǎn)生共振，發(fā)射端產(chǎn)生超聲波。并且向前傳播。當(dāng)超聲波傳到接收端時，壓電陶瓷也將產(chǎn)生共振，在經(jīng)過轉(zhuǎn)化電路把壓電陶瓷的機械能轉(zhuǎn)化為電信號傳給示波器，可以將信號發(fā)生器的脈沖信號表示成： （1）

當(dāng)壓電陶瓷換能器發(fā)射端的超聲波經(jīng)過介質(zhì)傳到接收器，并且發(fā)射器探頭與接收器探頭平行時，在接收器與發(fā)射器之間，入射波與反射波相干疊加，當(dāng)放入介質(zhì)的時候峰-峰值會隨著探頭的距離變化而發(fā)生變化。

2 利用極大值法測量

2.1 超聲波在紙張里的能量衰減

測量數(shù)據(jù)如表1所示（表格中的d1為紙張的厚度0.04 mm/層；Vp-p為電壓峰峰值）。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)超聲波在紙張中的能量衰減曲線如圖1所示。

2.2 超聲波在布料里的能量衰減

測量數(shù)據(jù)如表2所示（表格中的d2為布料的厚度0.041 mm/層；Vp-p為電壓峰峰值）。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，得出超聲波在布料中的能量衰減曲線如圖2所示。

3 超聲波在介質(zhì)中傳播能量損失的原因分析

通過對超聲波能量在介質(zhì)中的損失研究表明，損失主要由以下幾個原因造成。

3.1 吸收損耗

由于超聲波在介質(zhì)中傳播時介質(zhì)非理想，不均勻，使物質(zhì)內(nèi)部的分子之間相互運動，導(dǎo)致超聲波能量被介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。超聲波的能量衰減程度會隨著物質(zhì)的致密性增加而增加。

3.2 擴散損耗

超聲波在傳輸過程中波陣面不斷擴大，造成單位面積上的能量減小，波陣面上的平均功率密度減小，表現(xiàn)為聲強的衰減，所以超聲波的能量隨著超聲波在物質(zhì)中的傳播距離的增加而減弱。隨著距離的衰減而加強。

3.3 散射損耗

超聲波在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)時，將發(fā)生散射，從而損失超聲波的能量，散射主要發(fā)生在介質(zhì)的粗大晶粒表面。由于晶粒排列不規(guī)則，在傾斜的界面上發(fā)生反射、折射等，導(dǎo)致能量損耗。

4 超聲波在紙張和布料不同介質(zhì)中的能量衰減對比圖

圖3中測量點為“”表示紙張圖線，對超聲波的衰減特別大，有一層紙（紙張厚度d1=0.040 mm/層）已經(jīng)將同樣大小的超聲波，差不多已損失殆盡，而另一測量點為“■”圖線表示的是布料（布料厚度d2=0.041 mm/層），則衰減比較緩慢，隨著厚度的增加，兩種介質(zhì)對超聲波的衰減趨勢將變得緩慢。

在研究中通過對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)超聲波在不同的介質(zhì)中能量的衰減變化不相同，超聲波會隨著材料的材質(zhì)，還有物質(zhì)的厚度發(fā)生變化，并且會有超聲波次極大值的出現(xiàn)，在超聲波測量當(dāng)中要嚴(yán)格地把握材料的相似性。有些沒有辦法避免的因素，應(yīng)該用控制變量的方法，得出每一個影響超聲波能量的因素。

超聲波在介質(zhì)傳播過程中，伴隨著介質(zhì)形變、壓縮、溫度升高等一些現(xiàn)象，并且在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使得超聲波的能量減弱，通過實驗發(fā)現(xiàn)，超聲波在不同的物質(zhì)中，它的衰減程度不相同，在均勻致密的物質(zhì)衰減的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在不均勻稀疏的物質(zhì)，這其中吸收損耗占主要作用，但是隨著介質(zhì)厚度的增加，能量衰減曲線的變化變得非常緩慢，這時起主要作用的是擴散損耗，當(dāng)介質(zhì)的厚度到達一定程度，能量曲線就變得很微弱了，散射損耗的損失就加大了，占了損耗的大部分。所以超聲波在介質(zhì)中的能量損失是有幾種損失共同作用的結(jié)果，隨著材料的不同、結(jié)構(gòu)的不同，發(fā)生著變化。

參考文獻

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篇8

本文設(shè)計了一個基于單片機的壓電式超聲波測距儀(前向通道),該系統(tǒng)可應(yīng)用于汽車倒車、霧天行車、水深測量等距離不易測量的環(huán)境。文章概述了超聲檢測的發(fā)展及基本原理,介紹超聲傳感器的原理及特性,并且在介紹超聲測距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。

一、超聲波測距儀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

(一)超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)設(shè)計要求,該控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

系統(tǒng)由四個主要功能模塊組成:傳感器發(fā)送-接收模塊、穩(wěn)壓電源模塊,信號處理模塊,單片機控制模塊。通過測量不同方向的傳感器的信號,經(jīng)過信號處理電路,由單片機控制計算出與障礙物的距離,從而達到測距目的。

(二)超聲波傳感器測量

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。

(三)超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計方案

1. 傳感器選擇

(1)超聲波發(fā)生器 。為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

(2)壓電式超聲波發(fā)生器原理 。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機械能轉(zhuǎn)換為電信號,這時它就成為超聲波接收器了。

2.超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計

(1)40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射。測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器,它的工作電壓是40kHz的脈沖信號,這由單片機執(zhí)行程序來產(chǎn)生。

前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口,單片機執(zhí)行上面的程序后,在P1.0 端口輸出一個40kHz的脈沖信號,經(jīng)過三極管T放大,驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T,發(fā)出40kHz的脈沖超聲波,且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口,工作原理與前方測距電路相同。

(2)超聲波的接收與處理。接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?經(jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567,內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上,則LM567 輸入信號大于25mV,輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?作為中斷請求信號,送至單片機處理。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口,中斷優(yōu)先級最高,左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口,同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端,中斷源的識別由程序查詢來處理,中斷優(yōu)先級為先右后左。(程序參見附件源程序)

(3)計算超聲波傳播時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0,利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時,接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變,在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號,單片機響應(yīng)外部中斷請求,執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序,讀取時間差,計算距離。(程序參見附件源程序)

(4) 超聲波測距系統(tǒng)誤差分析。通過對所要求測量范圍0-100m內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn),其最大誤差為0.5cm,且重復(fù)性好。可見基于單片機設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。

二、 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計軟件分為兩部分:主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射,外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。

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關(guān)鍵詞： 超聲波傳感器 原理 應(yīng)用

1.引言

隨著自動化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設(shè)備都離不開傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，如溫度、壓力、流量，等等，以便使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。

20世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)某些介質(zhì)的晶體（如石英晶體、酒石酸鉀鈉晶體、PZT晶體等）在高電壓窄脈沖作用下，能產(chǎn)生較大功率的超聲波。它與可聞聲波不同，可以被聚焦，能用于集成電路的焊接、顯像管內(nèi)部的清洗；在檢測方面，利用超聲波有類似于光波的折射、反射的特性，制作超聲波納探測器，可以用于探測海底沉船、敵方潛艇，等等。

現(xiàn)在超聲波已經(jīng)滲透到我們生活中的許多領(lǐng)域，例如B超、遙控、防盜、無損探傷，等等。

2.超聲波的概念

人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz―20kHz范圍內(nèi)，稱為可聞聲波。低于20Hz的機械振動人耳不可聞，稱為次聲波；高于20kHz的機械振動稱為超聲波，常用的超聲波頻率為幾十kHz至幾十MHz。

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）和縱向振蕩（縱波）。工業(yè)中的應(yīng)用常采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，但傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波頻率較低，一般為幾十kHz，但衰減較快；在固體、液體中傳播頻率較高，但衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。

3.超聲波的特點

超聲波的指向性好，不易發(fā)散，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，在穿透幾米厚的鋼板后，能量損失不大。超聲波在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波的頻率越高，其聲場指向性就越好，與光波的反射、折射特性就越接近。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲波測量儀器及裝置，并在通信、醫(yī)療、家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。

4.超聲波傳感器的原理

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，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，換能器的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；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)送的超聲波進行檢測。實際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可用作接收器傳感器上的陶瓷振子。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比、稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。超聲波傳感器電源可用DC12V±10%或24V±10%。

5.超聲波探頭

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。由于其結(jié)構(gòu)不同，換能器又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭，等等。本文以固體傳導(dǎo)介質(zhì)為例，簡要介紹以下三種探頭。

（1）單晶直探頭。俗稱直探頭，其壓電晶片采用PZT壓電陶瓷制作。發(fā)射超聲波時，將500V以上的高壓電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出一束頻率落在超聲波范圍內(nèi)、持續(xù)時間很短的超聲振動波，垂直投射到試件內(nèi)。假設(shè)該試件為鋼板，而其底面與空氣交界，到達鋼板底部的超聲波絕大部分能量被底部界面所反射。反射波經(jīng)過一短暫的傳播時間回到壓電晶片。再利用壓電效應(yīng)，晶片將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。

（2）雙晶直探頭。由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一個殼體內(nèi)，其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。

（3）斜探頭。有時為使超聲波能傾斜入射到被測介質(zhì)中，可選用斜探頭。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度的有機玻璃斜楔塊上。當(dāng)斜楔塊與不同材料被測介質(zhì)接觸時，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。

6.超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害，方法簡便，顯像清晰，診斷的準(zhǔn)確率高，等等，因而受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷是利用超聲波的反射原理，當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲振幅的高低。

在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷、超聲波測厚和測量液位等。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感器的出現(xiàn)改變了這種狀況。超聲波探測既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測材料內(nèi)部幾米深的缺陷。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。

超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有許多其他方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾、酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）響應(yīng)時間短，可以方便地實現(xiàn)無滯后的實時測量。

7.結(jié)語

超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如反射問題、噪音問題、交叉問題，等等。本文簡要介紹了超聲波的概念、特點，分析了超聲波傳感器的原理，并給出了超聲波傳感器的幾種典型應(yīng)用，對今后對超聲波傳感器的進一步學(xué)習(xí)和研究有一定的參考價值和實用價值。

參考文獻：

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［3］俞志根，李天真，童炳金.自動檢測技術(shù)實訓(xùn)教程.清華大學(xué)出版社.

篇10

關(guān)鍵詞：超聲波 風(fēng)速風(fēng)向 時差法

中圖分類號：TP274.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-104-03

1 引言

近幾年，用超聲波實現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向檢測一直是個炙手可熱的課題，目前該技術(shù)在國外已應(yīng)用的非常成熟，而在國內(nèi)該技術(shù)用于測風(fēng)領(lǐng)域還處于發(fā)展階段。國內(nèi)生產(chǎn)的自動氣象站在測風(fēng)領(lǐng)域大都仍采用傳統(tǒng)的機械式測風(fēng)技術(shù)，超聲波測風(fēng)技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。近些年，隨著國外超聲波測風(fēng)設(shè)備的流入，國內(nèi)超聲波測風(fēng)的設(shè)備幾乎都被國外廠家占據(jù)，而國內(nèi)廠家仍未生產(chǎn)出成熟的超聲波測風(fēng)設(shè)備。隨著氣象站在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，超聲波測風(fēng)設(shè)備由于其具有傳統(tǒng)機械式測風(fēng)設(shè)備所不具有的獨特優(yōu)勢，必將占據(jù)更大的市場份額。鑒于此，本文設(shè)計的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀具有量程寬、精確度高的優(yōu)點，且能快速應(yīng)用于自動氣象站。

2 超聲波時差法測風(fēng)原理

超聲波在空氣中傳播時，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播存在一個速度差，當(dāng)傳播固定的距離時，此速度差反映成一個時間差，這個時間差與待測風(fēng)速具有線性關(guān)系。

對于特定風(fēng)向傳播（如東西方向或南北方向），可選用一對收發(fā)一體的超聲波探頭，保證兩探頭距離不變，按東西或南北方向放置，以固定頻率順序發(fā)射超聲波，測量兩個方向上超聲波到達時間，由此得到順風(fēng)的傳播速度和逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過系統(tǒng)處理換算即可得到風(fēng)速值。

具體原理圖見圖1，首先1探頭作為發(fā)射探頭，2探頭作為接收探頭，進行測量時得到一個時間，然后2探頭作為發(fā)射探頭，1探頭作為接收探頭得到相對方向上的另一個時間。

圖1 超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測量原理圖

設(shè)南北（或東西） 兩超聲收發(fā)器的距離為d，順風(fēng)傳輸時間為t12，逆風(fēng)傳輸時間為t21，風(fēng)速為Vw，超聲波傳播速度為Vc，可得：

=Vc+Vw

=Vc-Vw

化簡可得：Vw= （-） （1）

該方法能準(zhǔn)確測得單一方向的風(fēng)速。

3 二維風(fēng)速、風(fēng)向測量原理

圖2 風(fēng)速、風(fēng)向測量坐標(biāo)圖

設(shè)南北（或東西） 兩超聲收發(fā)器的距離均為d，兩對順、逆?zhèn)鞑r間t12、t21，t34、t43，設(shè)t12為由西到東，t21為由東到西，t34為南到北，t43為由北到南，風(fēng)速為VW，東西為VWx，南北為VWy，超聲波傳播速度為VC。根據(jù)公式⑴可求得：

東西方向上風(fēng)速為：Vwx= （-）

同理可求得南北方向上風(fēng)速為VWy：VWy= （-）

進而得出風(fēng)速VW與VWx、Vwy的關(guān)系式：VWx2=+VWy2

代入化簡可得風(fēng)速：Vw= （2）

風(fēng)向 公式：cos = 設(shè)正東方向為0G度按逆時針方向增大。

將東西方向上風(fēng)速及公式⑵求得風(fēng)速代入可得：

化簡并求反函數(shù)： （3）

隨著風(fēng)向從0-360變簧得風(fēng)向如下菇⑷＃

（4）

4 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀的實現(xiàn)

設(shè)計中使用的超聲波探頭為美國AIRMAR公司的AT200（200khz）探頭，探頭推薦的接收范圍為10cm～2m，典型應(yīng)用為12cm～2m。為使測試儀結(jié)構(gòu)小巧，四個探頭分別在東、西、南、北方向進行V型等距安裝，距離設(shè)置為12cm，這樣既可以保證超聲波探頭接收精度，又使結(jié)構(gòu)靈活小巧。

V型安裝測風(fēng)原理框圖如圖3所示。

圖3 V型安裝測風(fēng)原理圖

t12為傳感器a發(fā)出的超聲波信號到傳感器b接收到的順風(fēng)傳播時間；

t21為傳感器b發(fā)出的超聲波信號到傳感器a接收到的逆風(fēng)傳播時間；

設(shè)L為超聲波信號從傳感器a傳播到傳感器c的傳播距離（a―b―c），可得：

t12 = ；

t21 = ；

式中：X為徑向距離，單位：m；C為氣體聲速，單位：m/s；

V為風(fēng)速，單位：m/s；L為超聲波傳播距離，單位：m。

氣體速度V可得：

V = * ；

可得聲速C：

C = * ；

4.1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的測試儀，收發(fā)超聲波傳感器間的傳輸距離為12cm，聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，則超聲波從發(fā)送到接收所需傳輸時間為0.353ms，因此在設(shè)計時系統(tǒng)必須要有較快的測量精度及處理能力。

為提高風(fēng)速風(fēng)向測試儀的檢測精度，處理器選用dsPIC33F系列單片機，該單片機系統(tǒng)時鐘最高可設(shè)置為40MHZ，檢測時間精度最高可達0.025us，滿足設(shè)計要求。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀硬件模塊主要有超聲波傳感器、超聲波發(fā)送驅(qū)動及接收處理電路、實時時鐘、FLASH、RS485、AD采樣、探頭溫度測量電路、探頭加熱電路等。系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

各模塊功能描述：

（1）超聲波傳感器模塊：由超聲波傳感器和超聲波發(fā)送驅(qū)動、接收處理電路組成。超聲波發(fā)送驅(qū)動將單片機產(chǎn)生的脈沖信號發(fā)送給超聲波探頭發(fā)射；超聲波接收探頭接收到超聲波信號后，由接收處理電路進行信號濾波、信號放大及電壓比較電路等，通過IO引腳產(chǎn)生中斷輸入到單片機。

（2）超聲波收發(fā)控制模塊：選擇當(dāng)前工作的收發(fā)探頭，發(fā)射、接收脈沖信號，測量超聲波脈沖的接收時間，并計算風(fēng)速、風(fēng)向值。

（3） FLASH：用于保存測試儀的設(shè)置參數(shù)及風(fēng)速、風(fēng)向的測量數(shù)據(jù)。

（4）RS485：用于與計算機通信，便于用戶實時監(jiān)測、獲取及修改設(shè)備參數(shù)。

（5） AD與測溫電路：用于測量超聲波傳感器探頭表面溫度。

（6）加熱模塊：在工作溫度較低的環(huán)境下，用于給四個超聲波傳感器加熱，防止探頭表面結(jié)冰，影響測試儀測量。

4.2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀的軟件設(shè)計

4.2.1 超聲波收發(fā)控制

在風(fēng)速采樣過程中，超聲波收發(fā)控制模塊通過電子開關(guān)，先打開超聲波傳感器探頭1的發(fā)、探頭3的收通道，同時由產(chǎn)生占空比為1：1的10個脈沖，通過探頭1發(fā)送出去，在發(fā)送第1個脈沖后，開啟超聲波信號接收計時；在探頭3收到超聲波脈沖后，讀取測得計時器的時間t13，關(guān)閉當(dāng)前的超聲波收、發(fā)通道。接著打開探頭3的發(fā)，探頭1的收，測量t31的時間；之后，探頭2、探頭4重復(fù)探頭1、探頭3的測量步驟，測量t24、t42的時間。

超聲波探頭的收發(fā)控制流程如圖5所示。

4.2.2 風(fēng)速、風(fēng)向值計算

為能準(zhǔn)確獲取每秒風(fēng)速、風(fēng)向的實際值，測試儀中風(fēng)速、風(fēng)向的采樣率為4Hz，并把每次采樣的風(fēng)速、風(fēng)向值記錄下來，在4次采樣完成后，求平均值，得到的平均值即為當(dāng)前秒的風(fēng)速、風(fēng)向值。為提高風(fēng)速、風(fēng)向的測量精度，設(shè)置風(fēng)速、風(fēng)向平均值的計算時間（1-3600s），獲取某段時間內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向值，并將測量數(shù)據(jù)上報。

風(fēng)速、風(fēng)向值的計算流程圖如圖6所示。

4.2.3 加熱控制

為降低設(shè)備功耗，探頭加熱控制只在加熱使能打開后，才進行溫度加熱監(jiān)控，加熱監(jiān)控間隔時間為15秒。當(dāng)探頭溫度低于4度時，加熱控制開關(guān)打開，加熱電路為四個探頭加熱；當(dāng)探頭溫度高于4度時，加熱控制開關(guān)關(guān)閉。

加熱控制流程圖如圖7所示。

5 實驗結(jié)果

5.1 模擬風(fēng)場測試數(shù)據(jù)

在前期設(shè)計過程中，利用空氣壓縮機向壓縮罐內(nèi)壓縮一定壓力的空氣，再通過控制壓縮罐的放氣開關(guān)來模擬0～60m/s的風(fēng)場測試環(huán)境。經(jīng)過多次試驗，該環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)在一定時間內(nèi)基本能夠穩(wěn)定，可滿足設(shè)計模擬環(huán)境的需要。

在模擬風(fēng)場環(huán)境下，主要與計量中心計量合格的德國lufft氣象站的風(fēng)速測量值進行對比。測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù) 表2 計量數(shù)據(jù)

5.2 氣象局計量中心計量數(shù)據(jù)（見表2）

測試結(jié)果符合氣象計量中心對風(fēng)速測試設(shè)備的指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測設(shè)備以其獨特的優(yōu)點在氣象行業(yè)、農(nóng)林水利、電力環(huán)境、海洋環(huán)境等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)超聲波測風(fēng)設(shè)備主要從國外，價格高昂。

本文設(shè)計的超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測試儀在提高測試儀穩(wěn)定性、可靠性、精度的同時，也高度重視設(shè)備的功耗。通過大量實驗測試及計量中心測試，證明了該超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測試儀的精度及可靠性，且本文設(shè)計的風(fēng)速、風(fēng)向測試儀與國內(nèi)外同行產(chǎn)品相比，功耗較低（0.2w）、性價比高。

在人機交互方面，通過R485通信接口，可進行參數(shù)配置及風(fēng)速補償，并能實時監(jiān)測及查詢測量記錄，應(yīng)用比較靈活。該超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測試儀進入國內(nèi)市場后，必將給市場帶來一定的沖擊。

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