选择电源适配器时要考虑的关键因素

超声系统设计人员在使用超声换能器时有多种选择，包括频率、外壳设计和安装选项。 系统设计过程的一个关键方面涉及平衡换能器性能、声束特性和集成电子设备之间的权衡。

传播介质特性、环境条件和电子设备等各种因素都可能影响换能器性能。 在为特定应用选择电源变压器时，必须考虑几个参数。 本文旨在确定需要考虑的关键因素。

最大感应范围

在设计超声系统时，需要考虑几个可能影响换能器最大感应范围的因素。

除了换能器本身，天气条件、电子设备的操作和接收以及信号处理都是必须考虑的关键因素。 在这方面，有必要讨论其中的一些因素。

温度和湿度

温度的变化会影响空气中的声速以及超声波换能器的材料。

在远高于或低于其最佳范围的温度下操作换能器会“脱离”声学匹配层和共振频移，从而导致性能下降。

共振频率可能每 10°C 偏移大约 -0.8%（每 -10°C 偏移 -0.8%），导致灵敏度下降，这对于大多数应用来说通常是可以接受的。 但是，对于经历宽温度范围的应用，可能需要进行校正。

图1。 100 kHz、1 atm 空气中的信号衰减。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

环境条件可以显着改变空气的特性。 图 1 显示信号衰减取决于温度、湿度、频率和气压等因素。 同时，声速主要取决于温度，如图2所示。

虽然湿度对声速有轻微影响，导致所示温度范围内的速度变化小于 0.6%，但一些传感器具有可选的内部热敏电阻来补偿声速。 外部温度传感器也可用于更宽范围内的精确校准。

图 2。 声音在空气中的传播速度。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

气流和大气效应

空气湍流会影响最大测量范围，因为它可能会偏转或衰减声波，最终会降低回波信号。 气流顺风携带声音，大气流会使声音失真，以至于无法到达预期目标。 温度的突然大幅度变化也会反射声音。

声波路径上的小雪或小雨可以软化它们，从而缩小范围。 较低频率的换能器发出较长的波长，这意味着雪和雨的降级效果不如较高频率的显着。

困惑
（电气和声学）

可能容易受到 RFI 和 EMI 干扰的空气范围超声波换能器可以配备内部屏蔽作为标准预防措施。 但是，某些环境可能需要使用额外的保护。

高压空气喷嘴，例如喷枪，会产生相当大的超声波噪声，其频率范围很广且难以滤除。 因此，建议避免在通风口附近安装换能器。

如果换能器安装在振动设备上，它可能会受到机械耦合干扰。 为减少传递到换能器的振动，必须使用高度相容的安装材料。

目标力量

垂直于发射光束安装的坚硬、光滑、平坦的目标将提供最强的信号，因此可以在更远的距离内检测到。 此类目标的示例包括液体、玻璃或金属。

如果光束不垂直，它将被入射角反射，并且不会被换能器接收。 例如，如果目标未对准 2.5°，则波束角为 10° 的换能器将经历 3 dB 的信号衰减。

图 3。 有角度的声音反射器。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

当表面粗糙且不规则时，返回信号的幅度会因声音扩散而变化。 这些目标的缺点是返回信号较小，但目标对准的优势并不明显。

不同的材料反射声音的能力差异很大。 布料和泡沫等表面的反射率较低，导致共振幅度较低，从而大大降低换能器的有效范围。

光束角

换能器以特定的波束模式发射，大部分能量集中在定义波束宽度的主瓣中。 然而，主瓣外的能量集中在旁瓣中。

这些旁瓣会产生幻影回波，从而掩盖目标的实际位置。 虽然换能器不能完全没有旁瓣，但大多数空气范围超声波换能器都设计为具有低旁瓣水平，至少比主瓣低 17 dB。

图 4。 典型的光束模式。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

与窄波束型号相比，宽波束角传感器的感应范围更小，目标辨别力也更低。 这是因为较宽的波束将声能传播到更大的体积，与更窄、更聚焦的波束相比，导致从潜在目标反射的能量更少。

相反，与宽光束相比，窄光束角与不规则表面（例如波浪状流体目标）的共振幅度差异往往更大。

最小感应范围

换能器的最小感应范围，从其有效表面测量，称为消隐区。 在该区域内无法接收到回波信号，理想情况下，该距离应为零。

图 5。 发送循环示例。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

消隐区是由一种称为共振的现象引起的，共振是电激励脉冲后压电换能器元件的连续振动。

由于压电陶瓷的性质和换能器设计的局限性，在激励停止后机械能和电能消散需要一定的循环时间。

换能器环路的范围取决于其设计。 由于制造公差，相同设计的适配器与适配器之间的环数量也会略有不同。

图 6。 提交显示相邻响应的响应。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

换能器显示的循环量可能会受到用于驱动它的电脉冲类型的影响。 使用由最佳工作频率下的十个周期组成的音调突发引擎时，可以指定循环时间量。 换能器具有多种振动模式，其中一些与空气强耦合，而另一些则不是。

在系统设计期间以与空气强耦合的频率驱动换能器并避免可激发的外来共振非常重要。 因此，使用突发音（窄带宽）是有利的。

另一方面，宽带传输系统会引起不需要的振动模式，例如由“脉冲”驱动电子设备产生的振动模式，它向换能器施加一连串的高压、短时能量。 当不需要的频率受到刺激时，循环时间会增加，因为它会更慢地耗散能量。

除了所需的共振频率外，所有空气换能器都有二次共振。 这种二次共振是由于使用声匹配层来增强压电陶瓷元件与空气之间的耦合而产生的。

图 6 显示二次共振在空气中较弱，并且表现出比所需共振更大的共振。

安装

作为机电设备，换能器将振动能量传输到其外壳。 刚性安装会增加振动，从而延长环的使用寿命。 电源适配器的性能受兼容安装的影响最小。 不建议强行将电源适配器安装在适合压力的位置。

图 7。 安装示例。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

图 8。 隔离套管示例。 图片来源：AIRMAR Technology Corporation

将换能器安装在外壳的外径上可能会增加循环时间。 因此，建议如图所示使用绝缘套管，以在必要时提供额外的绝缘。

Airmar Technology 的空气量程传感器

Airmar 生产高质量、空气接触、可靠的超声波换能器，广泛用于当今具有挑战性的商业和工业应用。

空气^® 气动传感器在许多用于各个领域的测量系统的开发中发挥着重要作用，包括液位或固体液位、流量控制、自动控制、接近传感、避障、距离测量和库存控制。

这些电源适配器在美国制造，是工程师和系统集成商的首选，他们要求每个组件都具有卓越的品质和无与伦比的性能。

空气换能器安全、耐用、可靠且经过工厂调校，可确保在恶劣环境中发挥最佳性能。 此外，它们具有密封外壳并达到 IP68 防护等级，没有会磨损的活动部件。

此信息已从 AIRMAR Technology Corporation 提供的材料中获取、修改和改编。

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