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超声波的基本原理范文1
关键词：超声波流量计；案例运用；流量测量
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0117-02
1 超声波流量计测量原理概述
1.1 超声波流量计基本原理
在流动流体中流体的运行速度与超声波的传播速度之间存在着一定的关系，与固定坐标系相比，超声波的顺流中的传播速度远远大于在逆流中的传播速度。为了更好地对流量速度进行测量，首先需要准备一个能够发射超声波的超声波探头（即换能器），一般可以采用石英等制作成某种元件器件作为流量计中的超声波探头，由此可以在进行超声波发射的时候充分使用负压电高频电脉冲的作用力使得压电晶体实现稳定的高频振动，从而最终实现有一定脉冲变化的超声波发射效应。超声波可以从一定的角度发射进入到流体中进行传播，然后在超声波换能器的作用之下实现超声波信号的接收效能，与此同时，超声波换能器再一次经过一定的环节将高频电脉冲信号成功转换。从上述分析可以知道对同一个超声波换能器进行轮流性的使用可以成功发射不同类型的脉冲压力波，同时可以实现接受功能。
对超声波流量计可以从如下几个角度进行分类：一是按照基本原理可以将超声波流量计分为时差法、声环法、相位差法、相关法、沃街法以及多普勒法等；二是按照超声波探头的安装方式可以将超声波流量计分为外缚式以及插入式、插入式又可以按照是否带有测量管段来进行区分；三是根据声道数量可以将超声波流量计分为多声道和单声道两种类型；四是按照超声波的性能特点可以将超声波流量计分为便携式、固定式、标准型以及低温防水型等。
1.2 超声波流量计测量原理
从上述分析中，可以知道超声波流量计有多种类型，这里主要对时差法和多普勒测量法两种方法的测量原理进行详细概述。
时差法测量原理如图1所示，时差法测量一般情况之下是运用所测量流体传播声波来进行测量，并通过不同传播速度流体特征来测量他们在不同流动方向的传播速度之间的差值，从而最终测量出流体的流动流量以及相应的速度。
多普勒法超声波在进行流体流量测量实践中的基本原理如图2所示，这是在超声波在进行流体流量测量实践中所产生的多普勒效应对相应的频率差进行相关测量，由于主要是使用某一个固定的声源作为相应的发生器，随着流体与某一运动声源之前的相对运动，促使该物体进入到超声波中并最终出现超声波接收器的反射接收。进入超声波和发射超声波二者之间的频率差就是运动物件所产生的多普勒频移，并且所测量的多普勒频率差与流体流速之间呈现出一定的正比例关系，因此可以如果可以求出多普勒频率差，就可以相应得到流体的流速以及流体相应的流量。
2 超声波流量计基本特点分析
超声波流量计在长期的发展中逐步将传统的涡轮流量计、差压流量计以及电磁流量计等测量方法取代，从各个角度来进行分析，可以知道超声波流量计在实践运用中主要具备如下几个方面的优势特征：
第一，超声波流量计在实践中进行安装维修更为方便快捷，超声波流量计与其他的流量计方法相比而言，安装维修更为方便快捷，对于大口径的流量计量体统来说，超声波流量计在这一方面的优势是非常明显的，可以节约大量的人力和物流成本。近年来，随着超声波流量计在各个研究领域的实践运用，超声波流量计在安装维修时可以不用考虑是否在官道上切断流量或者进行打孔等繁琐步骤。
第二，超声波流量计的测量管径相对较大，超声波流量计在进行测量时其管径测量最大可以达到10 m，这也是超声波流量计的突出优势，超声波流量计的适用管径范围相对来说较大，可以在一定范围之类进行较为自由的流量测量，当所测量的管径超出一定范围时，流量计可能会受到外界各个方面的因素限制而难以满足具体的测量要求，这个时候可以考虑使用超声波流量计来有针对性地解决这些问题，同时可以测量任意管径。除此之外，管径大小范围并不会影响到超声波流量计的价格，而其他流量计价格往往会随着管径大小范围的变化而变化。
第三，超声波流量计的测量可靠性较高，不论是湿式安装或者是外夹式安装的超声波流量计均不会对测量流量的流畅性产生影响，没有任何的压力损失；与此同时，以微机为中心的传感器可以使用锁相环路等计时的方法解决电力故障以及信号衰弱等方面的问题，从而使得超声波流量计的测量可靠性更高。
第四，超声波流量计的测量不会受到流体相关参数的影响，比如说流体的物理性能以及导电率、粗糙度等相关参数不会对超声波流量计的测量产生影响。除此之外，超声波流量计的测量结果可以通过计算机自动控制系统进行自动显示和打印，并实现联网运行。
但是，超声波流量计在实践运用中也存在一些缺点，一是超声波流量计的传感器安装情况对测量结果准确度有一定的影响，因此传感器安装有着严格的要求；二是超声波流量计的准确度与电磁流量计准确度相比还存在一定的差距。
3 超声波流量计在电厂流量测量上的应用
由于超声波流量计有着突出的技术应用优势，因此超声波流量计在电厂流量测量等各个领域得到了广泛的关注的应用，可以从如下几个应用案例中得到体现。
越南IAGIAI Ⅲ水电站中需要对循环水流量进行测量，由于所需要测量的管径属于超大型号，分别为DN6000型号和DN3000型号，在对所要测量的流量以及各种类型流量计进行全方位分析论证之后，最终认为最为经济适用可行的超声波流量计可以用来解决该方案，因此最终选取了超声波流量计对循环水流量进行了准确的测量，解决了相应的问题。
华能白杨河电厂在2003年以前一般都是采用差压式流量计实现单一方向的流量测量，在使用超声波流量计进行流量测量之后，发现了负流量现象，并因此为电厂节约了大量的购水成本，该电厂最初在凝结水管道上将涡衔流量计安装上，但是由于在实践中受到流量计工艺有所变动等方面的影响，从而对流量测量计的准确度和精确度提出了更高的要求，而涡衔流量计在这种情况之下无法满足这一需求，因此在保障电厂正常运行的情况之下可以选取超声波流量计做出更为精确的测量。
鲁能运河发电厂在2008年时在实践运用中需要对相关油量进行相应的测量，由于之前使用价格高达10万元的质量流量计进行测量，价格昂贵且运行使用周期较长，质量流量计的安装也极为不方便，后来鲁能运河发电厂选用了价格仅仅两万元的外夹式超声波流量计，不仅解决了存在的问题，而且在较低的成本之下达到了有效的测量结果。
华电漯河发电厂最开始选取了电磁流量计对流量进行测量，安装前后均做了较好的防腐内衬，其加工难度大且使用成本较高，但是选用超声波流量计时这些问题都迎刃而解了，没有使用更多的设备和安装成本。
综上所述，当前超声波流量计已经被作为主要的流量测量工具运用到愈来愈多的电厂，安装维护方便快捷且较长的生命周期优势使得超声波流量计备受欢迎，尽管超声波流量计还存在一定的缺陷，但是相信随着科学技术的高速发展，超声波流量计将以其综合性优势得到更为广阔的发展空间。
参考文献：
[1] 解兵，梅强，王成亮.超声波流量计在发电机定子内冷水流量测量中的应用[J].江苏电机工程，2007，（7）：53-54.
[2] 吕永焕.浅析超声波流量计在AP1000主给水测量中的应用[J].科技风，2013，（5）：158-159.
超声波的基本原理范文2
中图分类号：TE939文献标识码：A文章编号：1003-2738（2011）12-0292-01
摘要：卤水流量的精确计量是保证卤水生产过程安全经济运行、降低消耗、提高效益、实现科学管理的基础。由于采卤泵站震动较大，且有硫化氢气体腐蚀，很难实现卤水在采输过程的精确计量。本文分析了超声波流量计在卤水采输过程中对流量计量的应用，对降低卤水输送成本具有重要意义。
关键词：卤水采输；超声波流量计；计量
一、引言
卤水学名为盐卤，是由海水或盐湖水制盐后残留于盐池内的母液。卤水流量测量是实现卤水采输过程中封闭管道中的导电性液体和浆液中的体积流量。随着工业生产过程的自动化和智能化的提高以及节能降耗和成本核算管理的要求，流量仪表在整个计量仪表中所占的比重越来越高。传统检测流量计都需要将其传感器安装在管内，并要求配置一段安装管，这不但不便于安装，而且会引起流体的压力损失、泄漏等。本文介绍了超声波流量计的工作原理，并在此基础上分析了其在卤水采输测量中的优点。
二、超声波流量计的工作原理和特点
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量[1]。
（一）时差法测量原理。
超声在流体中的传波速度受流体流速的影响，超声波在流体中顺流传播时，速度将加快，逆流传播时速度会减小，两个速度的差值越大，表明流体流速越快，反之则慢。时差法测量流体流量的原理如图1所示，在管道的上下游安装两个传感器A和B距离为L，L与水平方向的夹角为 。设静止流体中的声速为 ，流体流动的速度为 ,当超声波传播方向与流体方向一致时。超声波的传播速度为 ；而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为 。
图1 时差法测量流体流量原理图
从图1可以看出，探头A向探头B发射超声波信号为顺流方向，其传播时间为： ，反之逆流方向传播的时间为： ，二者时间差为：
（1）
由于静止流体中的声速 远远大于流体流动的速度 ，故 可忽略不计，则有：
（2）
得到的流体流速为： （3）
式（3）中的 、L、 均为常数，所以测得时间差 即可知道流体流量。
（二）多普勒法测量原理。
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。两个换能器对称地装在待测流体管路两侧，发射换能器发射频率为 的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以 的频率反射到接收换能器，这就是多谱勒效应。 与 之差即为多谱勒频移 。多普勒频移正比于流体中颗粒的运动速度，即流体的运动速度，因而只要平均流速与流通截面积相乘即可得体积流量。若颗粒以与流体相同的速度 运动，静止流体中的超声波声速为 ，声波发射方向、反射方向与流体流动方向的夹角分别为 ，则由于颗粒的漫反射而进入接收换能器的超声频率 可表述为：
（4）
当 远远大于 时，（4）式可化为：
（5）
在 的情况下有：
（6）
则可得到多普勒频移 为：
（7）
三、超声波流量计在采输卤水中应用应注意的事项
（一）测量点的选择。
超声波流量计的安装在所有流量计中是最简单便捷的。采用超声波流量计测量采输卤水流量时，只要选择一个合适的测量点、把测量点处的管道参数输入流量计中，然后把探头安装在卤水采输管道上即可。选择测量点要求一定的直管段，要选择流体流场分布均匀的部分，以保证测量数据准确。一般遵循以下原则：1.要选择充满流体的管段，如管路的垂直部分或充满流体的水平管段。2.测量点要选择距上游10倍管径，下游5倍管径以内的均匀直管段．没有任何阀门等干扰。3.充分考虑管道内壁结垢状况，尽量选择无结垢管段测量，实在不能满足，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。4.选择管材均匀致密，易于超声波传输的管段。
（二）探头安装方式。
采用超声波流量计对采输卤水管中的流量进行计量时，合理的探头安装方式对提高流量计量精确度至关重要。超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。一般在小管径时 (管径100-300mm)可先选用V法；V法测不到信号 或信号质量差时则选用Z法。管径在300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为25mm至大约400mm。安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平一线。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱时，要选用Z法安装[2]。
（三）检查安装。
检查“安装”是指检查超声波流量计探头安装在采输卤水管的位置和方式是否合适，是否能够接受到正确的、足够强的、可以使主机正常工作的超声波信号。安装的好坏直接关系到卤水流量值的准确和机器长时间的可靠运行，主要通过主机检查两个参数：信号强度、信号质量。信号强度是指上下游两个方向上接收信号的强度。信号强度越大，测量值越稳定可信，越能长时间可靠的运行。信号强度与探头的安装位置调整、安装间距、管道情况有关。
（四）超声波流量计在采输卤水应用中常见问题及解决方案。
由于卤水输送过程中卤水中掺杂的介质较多时，这将导致超声波流量计探头使用一段时间后会出现不定期的报警，这种问题在实际运用中会较常见。解决办法：定期清理探头(建议一年清理一次)。其次超声波流量计输送的卤水中含有水等液体杂质，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热。
四、结束语
卤水的特性限制着卤水在采输过程的精确计量，超声波测流计以其测量精度高、实时性好，同时适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，超声波测流计在测量采输卤水中的流量应用越来越得到重视。随着国家对卤水需求量的增大和超声波测流技术普及和成本的降低，超声波测流计将很快成为卤水采输过程中主要测流手段而得到广泛的应用。
参考文献：
超声波的基本原理范文3
关键词：PSOC；电机转速；检测与控制
中图分类号：F40 文献标识码：A
1概述
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，把电能转换成弹性体的超声振动，通过摩擦偶合作用获得运动和力（矩）的一款发动机。由于航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，而使超声马达成为驱动器的最佳选择，所以超声波电动机在航空航天领域得到广泛的应用。本文基于行波型旋转超声波电动机设计了一种直线位移机构，想要实现其步进运动控制。以上功能的实现依托于一款功能强大、高集成度的微处理器，即为PSOC。
2 超声波电动机直线位移机构
该机构通过滚珠丝杆，将超声波电动机生成的旋转运动转变为顶杆的直线运动。如图1所示，该直线位移机构的组成元件为螺母导向座、平键、滚珠丝杠与顶杆，最后是超声波电动机。将螺母导向座安装在超声波电动机上，超声波电动机输出轴与滚珠丝杠轴由轴销连接，导向座内壁有两个键槽，分别安装了平键，通过平键将丝杠螺母定位在螺母导向座里，由小螺钉将顶杆定在丝杠螺母之上。通过轴销，电动机输出轴驱动丝杠轴而——旋转，且由平键定位，沿着螺母导向座的轴向方向，滚珠丝杠螺母成直线运动，最后，通过滚珠丝杠螺母，顶杆做往复直线运动。
3 控制系统工作原理
如图2所示是早期的超声波电动机控制系统原理框图。图3所示是以PSOC为核心构件的超声波电动机驱动电路框图。PWM-DB16是l6位带死区的脉宽调制模块，模块的PWM输出频率的周期由PWM-DB16模块的Peirod寄存器来决定；PWM输出频率的脉宽由PulseWidth寄存器决定；P1与P2两个反相信号前/后沿之间的死区时间由DeadTime寄存器决定。PWM模块输出是CPU所带的外部接口电路。由PWM—DB16模块产生相位四路方波信号，经推挽逆变电路转化成一路正弦信号，相应的PWM2发出两路信号转换成一路余弦信号，最后，两路相位差为π/2的同频、等幅交变电压加在超声波电动机的两组压电陶瓷元件上驱动其转子转动。图3中ADCINC12是增量型模数转换器。
4 系统各部分构成
4.1 PWM速度控制原理
通过单片机输出的控制波型是占空比不同的矩形波，用其来控制的主电路的输出也是一个矩形波。对电机来说，当有电流流过电机绕组线圈时，就会产生一个转矩，使电机的转子转动起来，没有电流时就没有转矩产生。但是，由于电机转子本身有惯性，所以电机转起来后，在后续的一段时间内就算没有电流，电机还是会转动。而实际上单片机输出的矩形波的频率也较高，这样电机就可以持续不断的转动。我们通过控制输出波形的占空比，使电机在一定的时间内电流流过的时间不一样。在宏观上来看，就是电机的转速不一样。这样通过调节矩形波的占空比，就可实现电机的速度调节。此处选用两个PWM模块，通过相应配置，可实现4路PWM波形输出，如图四所示。
4.2 PWM信号频率确定
调速由PWM信号频率大小决定，电机的额定转速（）和转子磁极数（2p）影响PWM信号频率大小。当驱动每相电枢绕组时间内逆变桥有足够多的PWM脉冲个数时，调速才能有效。如此，PWM信号频率应远远在6p的值之上。比如：p=1，=500r/min，那么PWM信号频率应远远在300Hz的值之上。此外，由于电机辐射的音频磁场会伤害到人体健康，所以一般选择大于10kHz的信号频率才行。
4.3 超声波电动机的脉冲响应特性
脉冲响应特性即激励脉冲和电机位移量的对应关系。由于传统电磁步进电动机的结构和驱动信号特点，使得电机在一个脉冲信号内只能走一个恒定的步距角。而以压电陶瓷的逆压电效应和定子的超声振动为基本原理的直线型超声波电动机，借助于定、转子之间的摩擦作用，实现定子机械振动转变为转子单方向的直线运动或旋转运动。由图5可知，当电机外界条件一定时，电机移动的位移和给定的脉冲数成正比，是种线性关系，但超声波电动机的非线性、导轨的平行度、摩擦介面均匀度等因素影响，该曲线不完全是种线性关系。但是和传统电磁步进电机一样，超声波电动机每一步移动的位移即为步距。
在频率119.2kHz、电压峰峰值200V，两相驱动电压相位差90度的条件下，测得图五所示的曲线。超声波电机通过施加不同脉冲数的驱动信号，得到电机位移与驱动脉冲个数的数学关系，如图四所示。由PC机即上位机的RS-232接口与下位机相连，当下位机收到启动信号指令和脉冲个数后进行超声波电动机的控制（单步驱动脉冲数的控制）和位移检测。经过多次反复实验得到如图五所示的超声波电机的脉冲响应特性曲线。
由图五可知，当脉冲数小于6时，电机的位移基本不变，是个常数，而当大于6时则随着脉冲数的增加，电机的位移也随着逐渐的增大。
4.4 控制策略
超声波电动机具有步进的功能，可以有非常小的步距角，即分辨率可以达到很高的水准，因此能实现各种精密的定位控制，该方法被称为步进定位控制法，而在这里被称为步进定位控制。其控制算法的基本原理如下：根据所需定位位置和精度要求，电机的运行位置可以分为三种：连续、步进和停止。在这里，需要定义三个参数，第1个参数是连续运行切换到单步运行的提前量，该值不过是用来确定电机变为单步运行的位置，且与单步运行的步距角大小有关，但不会影响到定位精度；第2个参数是单步步距角和单步波数，单步波数越大则步距角越大，反之则越小，且影响定位精度。第3个参数是抵达目标位置之前，控制器发出停止命令的提前量，也直接影响到定位的精度。
当超声波电动机步进运行时，电机要运行到目标位置，需要系统等待电机在本次激励停止，再次检测并得到电机实际位置和目标位置的差，来决定下个步进的脉冲数，以达到逐次逼近目标位置的目的。
下面介绍脉冲数查表控制法。步进模式时每一步的脉冲数可由下式得到：
N（t）=Tab[Δs]
式中：ΔS=S—S（t）；S为目标位置，S（t）为t时刻的实际位置，通过ΔS的符号来判断电机下一步运行的方向，直至到达目标位置电机停止。若ΔS为正值表示未到目标位置，为负值表示已超过目标位置。在上述假设条件下，通过实验得出TAB[ ]={0，6，l0，14，18，22，26，30}，可见，该算法使用的步进组数更少，定位更加准确快速。
参考文献
[1]何宾.可编程片上系统PSoC设计指南[M].北京：化学工业出版社，2011.
超声波的基本原理范文4
【关键词】无损检测；混凝土结构；超声检测技术
随着混凝土结构的广泛使用，其质量检测和性能评估是目前土木工程界迫切需要解决的问题。由于结构混凝土无损检测技术能反映结构物中混凝土的强度、均匀性、连续性等各项质量指标，对保证新建工程质量，以及对已建工程的安全性评价等方面具有无可替代的重要作用，因而越来越受到人们的重视。
1 超声检测技术概述
超声法是一种广泛用于混凝土缺陷探测的方法，混凝土的物理力学性能与超声波在其中的传播速度及其他声学参数有很好的相关性。超声波的探测精度能满足缺陷探测要求，但以目前的超声仪及换能器，当超声波换能器正对测试时，在混凝土中的最大穿透距离只能达到10m左右，而当换能器错开一定距离时，穿透距离仅能达到2、3m。显然超声波换能器无法满足长距离探测的要求。采用稀土超磁致伸缩材料制作的超磁致换能器，具有发射功率大、发射频率高、穿透距离远、接收信号频带宽、重复性好、余振短等优点，能够同时兼顾到传播距离及检测分辨率，是一种理想的长距离探测震源。超磁致换能器发射中心频率为10-50kHz，处于可闻声波及超声波频段。将超磁致换能器和超声波换能器发射产生的应力波统称为声波。
目前，超声探伤常用的缺陷分析判断方法有经验法、数理统计法、数值判据法和模糊判别法。经验法，即依据超声探伤的基本原理判别缺陷。其结果依赖于检测人员的实践经验，漏判和误判严重。数理统计法简单易行，但是只能对单个声学参数进行统计意义上的判断，且物理意义不明确。数值判据法须根据测试值建立合理的物理模型，经适当的数学处理后，找出一个可能存在缺陷的临界值作为判断的依据。模糊判别法是计算各声学参数相对于正常获异常的隶属度，然后将各个声学参数加权平均得到综合的相对于正常或异常的隶属度。由于测试分析方法本身的局限性，以上方法仍处于定性或半定量水平，都只对缺陷的定位具有一定精度，而对缺陷的大小、形状及性质难以给出定量的结果，从而给最终准确评价带来困难。超声波的频率范围为20kHz至15MHz，超声发生器则是由产生超声频振荡的电子线路和换能器(传感器)组成。超声层析的应用范围很广，早在世界二次大战期间，超声层析在军事监测方向就获得了比较满意的效果，以后更广泛地应用于医学之中；此外，超声层析在工业无损探伤方面用途也很广。
2 超声无损检测技术在工程中的运用分析
超声无损检测属于弹性波法。在各种无损检测方法中，超声无损检测是当前无损检测工作中研究最活跃、发展最快的检测方法。目前，超声脉冲检测技术已成为检测工程结构质量的重要手段之一。其主要优点是有效探测距离长，测试精度高，设备简单且无污染。
将超声技术技术应用于混凝土质量检测中，其理论依据是混凝土的质量与声速有较好的相关性，首先在被测混凝土结构物某断面上，将测区划分成网格，发射换能器在一侧某点发射，接收换能器在另一侧所有点上接收，使每个网格都有2条以上的测线通过，利用声时通过反演技术获得测区各部分的波速分布图，从而确定缺陷区的位置、尺寸以及缺陷本身的波速，推断缺陷的类型、强度等。
2.1 超声无损检测的基本原理
根据弹性波的运动学和动力学特征，弹性波层析成像方法可以分为两大类：一是以运动特征为基础的射线层析成像；二是以动力学特征为基础的波动方程层析成像。
作为反演声波穿透的射线层析成象，其基本思想是根据声波的射线几何运动学原理，将声波从发射点到接收点的旅行时间表达成探测区域介质速度参数的线积分，然后通过沿线积分路径进行反投影来重建介质速度参数的分布图像。
混凝土声波CT无损检测技术就是根据声波射线的几何运动学原理，利用最先进的声渡发射、接收系统，在被检测块体的一端发射，在另一端接收，用声波扫描被检测体，然后利用计算机反演成像技术，呈现被检测体各微小单元范围内的混凝土声波速度，进而对被检测体作出质量评价。
2.2 观测系统布置
根据混凝上结构物的形状特点，对结构物常用的测线布置方式为：白色点为接收点，黑色点为激发点。理论及实践都证明，三侧激发一侧接收，所得反演效果最好。射线密度达到要求。一般检测过程中测线都采用该方式布置，激发边和接收边道间距，1般在20-50cm范围。在结构物两端的部份，可适当加密激发点和接收点，以利于增加射线密度。根据结构物的临空面不同，可采用合适的测线布置。
2.3 观测系统完备性评价
观测系统完备是声波CT结果可靠性的基本保障。观测系统的完备性是通过单元的射线密度和射线正交性来衡量的。因此，射线密度和射线正交性就成了表征观测系统完备性的I爵个重要指标，它们是观测系统可靠性评价的有效方法。为保证声波CT结果的可靠性和分辨率，要求研究区内每个单元体内的射线超过40条，同时要求每个单元体内通过的射线其交角至少有一组大于60°，其交角的正弦值大于0.87。
2.4 后期成像
所用软件为TDSoft的《工程CT》，该软件有模块化设计、文件格式要求清晰、处理速度快等优点。软件共有数据输入、射线追踪、速度反演三个主模块和正交性分析一个辅助模块组成。最后通过网格化、成图、导出DXF格式等多个步骤的处理，最终得到混凝土声波CT波速反演图。
3 结语
无损检测技术是以无损检测手段探明被检测体内部缺陷的有无、大小、位置和性质的专门技术。在工程中，需要根据工程构件材料的性能和工程条件具体选择恰当的检测方法。其中，弹性波方法是工程中最为常用的方法之一，特别适合混凝土构件、岩土体等工程问题的无损检测工作。射线理论和射线方法是研究弹性波传播理论的重要方面之一，针对不同的工程材料和工程条件探索研究弹性波射线追踪方法，对于许多工程问题的分析研究具有重要的意义。
参考文献
超声波的基本原理范文5
【关键词】超声技术 超声波发生器 锁相控制
超声波发生器的作用是驱动换能，为了要保证系统芯片输入/输出端口的键合，必须要保证键合设备的以谐振的状态进行工作。在此过程中，决定键合系统工作的性能的关键是锁相控制技术，因而锁相控制技术的研究对于超声波发生器的发展有着极其重要的意义。
1 超声波发生器的发展及控制方案
1.1 超声波发生器的发展
超声波发生器的设计生产是为了提供超声能量，供能的对象是超声波换能器，目的是为了让其产生谐振频率。超声波发生器主要分类两类：一类是自激式超声波发生器，另一类是他激式超声波发生器。前者整体包括换能部分，功率放大部分，输出变压部分和信号发生部分，所有的部分组成一个封闭的整体，作用于发生器，使其产生足够的动力，保证换能器可以产生谐振频率；而后者整体包括前后两级，功能分别是产生信号和放大功率，然后经过变压器的作用，为换能器提生谐振频率的能量。
超声波发生器的技术更迭发展与电子元件的发展密不可分，跟随电子元件的类型特性的变化而进步。总的来说，超声波发生器的发展阶段主要有三个：第一个是电子管阶段，这一阶段的超声波发生器是最初级的，存在很多缺点，目前已被淘汰；第二个阶段是晶体管阶段，这种超声波发生器相较于电子管较成熟，而且成本不高，但是本身体积庞大，性能不理想；第三个阶段是功率模块阶段，主要通过MOS和GBT这两种开关器件来控制输出功率，方便易用，体积不大，重量小，性能好。
1.2 控制方案
超声波发生器的能量转换是通过超声换能器来实现的，要保证超声设备的谐振目标，这就要求超声波发生器所发出的信号频率跟踪换能器的谐振频率。目前研究中主要有几种常用的跟踪控制方案： 第一种方案是通过声音跟踪，获得谐振频率的信号发送给振荡器；第二种是电跟踪，该种跟踪方式是基于电子元件和控制的基础理论，其中最具代表性的也是最关键的技术是锁相式控制跟踪，这种跟踪方式的性能相对较优。
2 锁相控制技术
2.1 基本原理
锁相控制方式的基本原理其实就是通过同步锁定两个周期信号的相位，来准确的控制频率，本质上是控制相位的系统，叫做锁相环。其主要有以下特点：一方面是误差较小，通过窄带宽的性质过滤不相干信号，减少干扰和误差；另一方面稳定性较好，这指的是输出的功率，当负载变化时，其变化相对稳定。
图1所示的是锁相控制的原理图，采样的电压和电流首先要经过波形转换，输入PC鉴相器，PC鉴相器对其进行处理计算，向LF低通过滤器输入相位误差信号，在此信号中的高频成分被过滤掉，产生的是控制电压，该控制电压与VCO压控振荡器的震荡频率有关，为了控制电流和电压的同相位状态。当震荡频率与谐振频率不相同时，就需要控制电压来拉平，达到同相位的目的。
2.2 控制电路
锁相跟踪控制电路的设计实现可以通过窄带宽的性质过滤不相干信号，减少其他外界环境因素的干扰，降低误差产生的几率。具体包括以下几方面的工作：
2.2.1 自激信号的产生
自激信号通过传感器采集输入电流，经过过滤转换成电压。通过整流，产生自激信号用来反映电流相位。主要用到的是二极管，将其进行反并联，再并联电流样本的电容电阻，这种做法不仅可以降低比较器两端的电压差值，对保护器是一种保护措施；还可以在刚启动的时得到较强的电流信号，从而使得灵敏度提高。候反馈电流由电流互感器采样后输入，滤波后由功率电阻转化
2.2.2 他激信号的产生
图2展示的是他激信号EXT的产生原理图，他激信号是一个方波的信号，主要通过压控振荡器从VCOUT输出。它的频率在一定的区间内，输出的频率主要通过改变电位器的输入压来实现。
2.2.3 控制信号的产生
该信号的产生来源于与自激信号相同的信号源，只不过它要经过不同的转换过程，即交流电首先要转换成直流电，这一步要通过单相半波整流电路的作用；然后通过特定的操作转变成正电平，该操作是整形滤波；最后通过与参考电压进行比较，得到最终的控制信号。
2.2.4 电子开关
锁相控制电路中，选用的与非门电子开关，与非门总共有四个，将3.2.1、3.2.2、3.2.3所产生的信号作为输入信号，最终输出的信号遵循公式1的逻辑关系：
（1）
2.2.5 频率跟踪电路
为了保证输入信号的相位等于输出信号的相位，锁相控制频率跟踪电路中所使用的是PCII鉴相器，该鉴相器有两个输入信号一个输出信号，当输入信号1与输入信号2同步时候，结果所输出的信号为高阻；当输入信号1要比输入信号2提前时候，结果所输出的信号为高电平；当输入信号2比输入信号1提前时候结果所输出的信号为低电平。
3 结语
超声技术快速发展，超声波发生器对于其发展起到非常重要的作用，而锁相控制方式又是关系到超声波发生器性能的重点。因此，提出良好的控制方案，关注锁相控制的关键技术，势必会提升超声波发生器的频率追踪控制性能，促进超声波发生器的进一步发展。
参考文献
[1]韩为民.键合机中超声波的基本控制原理及方法[J].电子工业专用设备，2003（05）：21-26.
[2]林渭勋.现代电力电子电路[M].浙江：浙江大学出版社，2002（07）.
[3]应建平，林渭勋，黄敏超.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2002（05）.
[4]徐涛.声波发生器电源技术的发展[J].洗净技术，2003，6（4）：10-15.
超声波的基本原理范文6
关键词 钻井仪表；泥浆体积测量；体积传感器
中图分类号TE92 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0144-02
0 引言
随油层开发难度的增大以及出于对油气层的保护，钻井作业中常采用欠平衡等工程保护措施；为确保欠平衡钻井作业的安全高效，对钻井工程仪表中泥浆体积监测提出了更高的要求。在体积检测手段上有M/D TOTCO 的MD WACTH和国内VDX VentureDynamix等一些成熟的钻井仪表技术。
泥浆体积监测是物位测量的一种，精度上依赖于传感器的性能；许多新型体积测量传感器随计算机、雷达等新技术的应用而得以推广。按照测量方式的不同可分为接触式与非接触式传感器两种类型。
1 接触式传感器简介
接触式传感器与测量介质接触；按照测量原理又分为浮力式、静压式、电容式几种；其中恒浮力式传感器具有结构简单、维护方便等优点，成为钻井生产中广泛应用的一种测量方式。
浮子式液位传感器采用磁性浮子和装有磁敏元件的非磁性管子的方式测量，如图1所示；管内的磁敏元件在磁性浮子中磁力线的作用下连通；磁力消失，触点断开；根据接通触点的位置，可以换算出液面的高度，再根据罐截面积就能计算出罐内的泥浆体积了。
根据磁敏元件的使用，可分为干簧管式、霍尔元件式、磁致伸缩式几种浮子传感器。
1.1 干簧管式浮子传感器
干簧管是干式舌簧管的简称，是一种有触点的无源电子开关元件，如图2所示；其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片，还灌有一种叫金属铑的惰性气体。
干簧式传感器具有结构简单，价格便宜，便于控制等优点；但其缺点也是比较明显的，易碎、触点磁化不分离等。
1.2 霍尔元件式浮子传感器
霍尔元件式浮子传感器采用类似于三极管或集成电路封装的感应器件；这种封装的传感器件具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、响应频率高（可达1MHz）、耐震等优点，随封装成本的降低，霍尔元件式浮子传感器感正成为干簧管传感器的替代者。霍尔元件如图3所示。
2 非接触式传感器简介
非接触式传感器不与测量介质接触；传感器种类主要有微波雷达、光导和超声波等几种。其特点是使用声波、光波、电磁射线等方式来测量，拆装方便，精度高。
2.1 超声波物位计
超声波是机械波的一种，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中超声波物位计主要采用纵波测量。
2.1.1 检测原理
超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。原理如图4所示。
2.1.2 计算方法
考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为：
V=331.5+0.607T （1）
式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。
S=V ×t/2=V×（t1-t0）/2 （2）
式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。
2.1.3 超声波传感器的特点
超声波传感器应用起来原理简单，安装方便，成本也很低。但易受环境噪音、水汽、液面泡沫的影响，造成体积测量中出现测量值出现较大的跳动。
2.2 微波物位计
微波技术测量原理类同与超声波测量；简单区分，微波是利用电磁波来测量，超声波是利用声波来测量。微波测量也称为雷达测量，雷达信息通过发射器、发射天线、目标、接收天线和接收器组成的通道发射和接收。发射器以波束形式发射高频电磁波，经泥浆液面反射后，部分电磁波到达雷接收器，计算方式也类同与超声波。
3 结论
非接触式变送器刚进入市场时，曾被寄予过高的期望，实用中发现局限性也很大；与接触式传感器比具有精度高、测程远、全天候等特点，但也有明显的劣势：测量靶心大，易受罐内搅拌器、盘管、海底阀以及液体泡沫等障碍物的影响。随着计算机软件、超声波、雷达等新技术的应用研究，超声波液位计在钻井现场会得到越来越广泛的应用，是一种较有前途的测量方法。
参考文献
[1]张秀菊，龙晓林.开关型霍尔传感器的应用[J].电子世界，2002(4)：35-36.
