超聲波流量計探頭及換能器原理  一六七

二.始波寬度(又稱始波占寬,發射脈沖寬度)

名義上,這是指探頭與超聲儀組合后在超聲儀示波屏上顯現的發射脈沖持續時間,它包括了超聲儀發射電路發出電脈沖的持續時間和壓電晶片的振鈴時間(俗稱尾振,余振,其大小與機械Q值,電Q值相關),以及壓電晶片發射的超聲波在保護膜,耦合層或斜楔等內部多次反射干擾.在實際測定時,首先要將超聲儀示波屏上的水平掃描線(時間掃描,或者稱為時基線)校正,按傳播距離或傳遞時間校正后,讀取水平刻度零點至始脈沖后沿的寬度,以傳播距離(毫米)或時間(微妙)表示,它相當于傳聲介質中影響檢測的近表面深度,故與檢測的近表面分辨率(上盲區)密切相關.

始波占寬與負載(輻射阻抗)有關,故測定時還分為空載始波占寬(傳聲介質為空氣)和有載始波占寬(傳聲介質為被檢測工件)兩種,特別要注意在被檢測工件表面粗糙時,由于超聲波在界面上的漫散射干擾,使得始波占寬將會變得更大.對于斜探頭而言,由于有斜楔存在,故只存在有載始波占寬.

三.工作頻率

前面已經介紹過壓電元件諧振頻率的測量,這里一般是指回波頻率,即探頭發出的超聲波從異質界面上反射返回探頭時的回波中心頻率,通常可以使用頻率特性測試儀(又稱掃頻儀),示波器(通過測定回波振動周期確定頻率)以及頻譜儀來測定.該性能參數除了反映探頭的工作性能外,還可以通過頻譜分析了解回波中各頻率成分的幅度分布(能量譜)情況,如圖6.29示出了兩只普通直探頭的回波頻譜照片,這是用美國的5030A型超聲頻譜儀測試和拍照下來的(這里是復描圖).

由圖6.29可見,對于兩個名義中心諧振頻率都是5MHz的探頭,a)中的探頭,其中心頻率主峰在4.5MHz,但在5.7MHz處還有一個副峰(即在能量譜中以4.5MHz為能量

最大,在5.7MHz處有一個能量較大的峰值,但相比之下要比4.5MHz的能量小,所以尚不影響探頭的使用).b)中的探頭其回波頻率中4.5MHz和6MHz兩處的能量相差不大,這種探頭發射聲場的均勻性不好,不宜使用.兩個探頭的頻譜測試結果表明都未達到其名義中心諧振頻率,這與探頭的壓電元件材料,加工及探頭制作工藝都有關,一般對探頭工作頻率誤差范圍要求的規定是在±10%以內,而且還應當注意最好不要出現"雙峰"的情況.

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