超声波传感器（三）：流量测量与探伤应用

超声波传感器（三）：流量测量与探伤应用

本文档是《10.3 超声波传感器》系列的第三部分，详细介绍了超声波传感器在流量测量和材料缺陷检测两大工业应用中的工作原理、数学模型和典型方法。

内容概要

超声波测流量

利用超声波在流动流体中传播速度变化的特点测量流速和流量。主要方法包括：

• 时差法：测量超声波顺流和逆流传播的时间差，通过公式 $v\approx \frac{c^2}{2L\text{cos}\theta }\Delta t$ 计算流速。精度高，但受声速温漂影响。广泛应用于天然气、水务、石油化工等行业。
• 相位差法：通过测量顺逆流超声波的相位差计算流速，精度高于时差法，但仍受温度影响。
• 频率差法：通过测量顺逆流超声波的频率差计算流速，公式 $v=\frac{L}{2\text{cos}\theta }\Delta f$ 与声速 $c$ 无关，可克服温度影响，精度最高。

采用相位差或频率差法的传感器称为多普勒超声波流量计，依赖流体中杂质反射，适用于脏水和浆体。

超声波探伤

超声波探伤是无损检测的重要手段，可检测材料内部深达几米的缺陷（裂纹、气孔、杂质等），优于X光探伤。主要方法包括：

• 穿透法探伤：根据超声波穿透工件后的能量衰减判断缺陷。指示简单、适合自动探伤和薄板检测，但灵敏度低、无法定位。
• 反射法探伤：根据超声波在工件中的反射回波判断缺陷。分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。
• 一次脉冲反射法：通过发射脉冲(T)、缺陷脉冲(F)和底脉冲(B)在荧光屏上的位置和幅度定位和评估缺陷。
• 多次脉冲反射法：通过观察底波反射次数判断缺陷严重程度，适用于板材检测。

关键公式

• 时差法：$\Delta t\approx \frac{2Lv\text{cos}\theta }{c^2}$
• 相位差法：$\Delta \phi \approx \frac{2Lv\text{cos}\theta }{c^2}\omega$
• 频率差法：$\Delta f=\frac{2v\text{cos}\theta }{L}$

思考题

试分析医学临床用B超的工作原理。