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超聲波液位計(jì)探頭的結(jié)構(gòu)組成及影響性能的六個(gè)指標(biāo)
超聲波液位計(jì)的探頭是產(chǎn)生超聲波和接收其回波的一種傳感器，由于其能將電能轉(zhuǎn)換成聲能，也能將聲能轉(zhuǎn)換成電能，所以又稱為換能器。超聲波是由高頻電脈沖激勵(lì)超聲探頭而產(chǎn)生的，反射回來(lái)的超聲能量又被探頭轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。超聲波液位計(jì)探頭里的壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電聲能量***常用的方法是利用超聲波探頭實(shí)現(xiàn)的。為更好地理解超聲波液位計(jì)的探頭，本文擬就超聲波液位計(jì)探頭的組成結(jié)構(gòu)及其6大性能指標(biāo)介紹如下。
一、超聲波液位計(jì)探頭結(jié)構(gòu)及作用
如下圖1所示，超聲波液位計(jì)探頭的結(jié)構(gòu)主要由壓電陶瓷、匹配層、阻尼塊、保護(hù)膜、外殼和高頻電纜線等部分組成。
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圖1 超聲波液位計(jì)探頭結(jié)構(gòu)圖
1、壓電陶瓷：壓電陶瓷是探頭的核心元件，它的作用是發(fā)射和接收超聲波，其性能好壞直接影響到探頭的質(zhì)量。陶瓷兩面敷有作為電極的銀層，目的是使供給陶瓷片的電壓均勻，陶瓷片上電極接火線引至電路，底面則接地線口與電路的公共點(diǎn)相接以便形成回路。
2、高頻電纜線：超聲波液位計(jì)的探頭需要通過(guò)高頻電纜線與超聲波驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行連接，這種的高頻電纜線具有屏蔽外部各種干擾噪聲等對(duì)超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)脈沖和回波信號(hào)干擾的作用。
3、匹配層：超聲波液位計(jì)探頭的匹配層能夠在探頭與工作負(fù)載之間起到匹配聲阻抗的作用，可以有效拓寬探頭的工作頻帶，進(jìn)一步提高超聲波分辨率和工作適應(yīng)能力。
4、阻尼塊：是由一些阻尼材料配置而成，粘附在壓電陶瓷后面，主要起到吸收壓電陶瓷背面的超聲波，以減少噪聲的作用。
5、外殼：探頭的外殼體由塑料制成，主要有固定和保護(hù)整個(gè)探頭元件的作用。
6、保護(hù)膜：保護(hù)膜必須滿足耐磨性能好、強(qiáng)度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適的要求，以達(dá)到保護(hù)壓電陶瓷和電極，防止磨損和碰壞的作用。
二、超聲波液位計(jì)探頭6大性能指標(biāo)
超聲波探頭作為組成超聲波液位計(jì)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響著發(fā)射超聲波的強(qiáng)度、接收的回波信號(hào)的強(qiáng)度、物位計(jì)量程，直接決定著超聲波物位計(jì)能否正常穩(wěn)定地工作。超聲波探頭的主要性能指標(biāo)有以下６種：工作頻率、靈敏度、品質(zhì)因素、頻率響應(yīng)、電阻抗、方向特性等，現(xiàn)將各個(gè)性能指標(biāo)分別介紹如下：
1、靈敏度：靈敏度是指超聲波回波經(jīng)探頭轉(zhuǎn)換后輸出的回波信號(hào)電壓的峰峰值和施加在探頭上的驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的峰峰值的比值。靈敏度是衡量超聲波探頭電能和聲能相互轉(zhuǎn)換效率的一種度量。
2、工作頻率f：超聲波探頭的工作頻率是由壓電陶瓷的諧振頻率，也就是探頭發(fā)射的超聲波的頻率所決定的。超聲波探頭工作在此頻率下輸出的能量***大，傳播距離也***遠(yuǎn)。
3、頻率響應(yīng)：超聲波探頭的頻率響應(yīng)是指某一反射物體，探頭收到回波信號(hào)的頻率特性，超聲波探頭的頻譜圖可以通過(guò)頻率分析儀測(cè)得，從而得到中心頻率、帶寬等參數(shù)。
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圖2 銳角的和波束寬度
4、品質(zhì)因素Q：超聲波探頭的品質(zhì)因素Q由電路部分的品質(zhì)因素和機(jī)械部分的品質(zhì)因素綜合決定。
5、方向特性：主瓣的尖銳程度決定著超聲波探索區(qū)域范圍，因此方向特性直接決定著超聲波物位計(jì)的工作范圍和量程。主瓣角是超聲波方向特性中***重要的指標(biāo)，超聲波的頻率越高，主瓣角越小，超聲波探頭的生能越集中，其聲速范圍也越窄。如圖2所示：
6、阻抗特性：由于超聲波探頭的特性，要求其與驅(qū)動(dòng)電壓之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，已達(dá)到***理想的驅(qū)動(dòng)能量和回波接收信號(hào)。
在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)探頭的***大測(cè)試量程、***小測(cè)試量程（盲區(qū)）和發(fā)射角（指向性開(kāi)角）要求各不相同，超聲波液位計(jì)在選型時(shí)，需要綜合考慮，對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)參數(shù)對(duì)探頭的結(jié)構(gòu)、頻率、輻射面以及外部尺寸權(quán)衡后再進(jìn)行選擇，以盡量滿足實(shí)際工況的要求。