超聲波氣泡傳感器的工作原理及典型應(yīng)用

前言
 
超聲波氣泡傳感器利用超聲波在液體和氣體中的聲阻抗不同的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡或液體的識(shí)別和檢測(cè)。它具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、食品和環(huán)保等領(lǐng)域。
 
工作原理
 
超聲波氣泡傳感器的工作原理基于超聲波在液體中的傳播特性。超聲波氣泡傳感器使用一個(gè)主動(dòng)式壓電元件作為發(fā)射器，用來(lái)產(chǎn)生高頻聲波。這個(gè)聲波首先穿過(guò)了傳感器壁，然后傳播到了與傳感器壁接觸的管道中。聲波隨后穿過(guò)充滿(mǎn)液體的管道，到達(dá)管道對(duì)面的傳感器壁，被另一側(cè)的一個(gè)被動(dòng)式壓電元件接收。
超聲波氣泡傳感器能夠檢測(cè)到是否有氣泡的存在，主要是因?yàn)楣艿辣诨蛘咭后w與氣體之間存在較大的聲阻抗差異，這種較大的阻抗不匹配會(huì)形成一個(gè)聲鏡，可以將超聲波反射回發(fā)射器的方向，由于聲波無(wú)法到達(dá)接收端，因此當(dāng)傳感器檢測(cè)到這種情況時(shí)，就會(huì)提示有氣泡的存在。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，超聲波氣泡傳感器通過(guò)發(fā)射和接收超聲波，然后根據(jù)其反射和傳播的差異來(lái)判斷是否有氣泡存在。當(dāng)存在氣泡時(shí)，由于聲波阻抗的大幅度變化，超聲波會(huì)被反射回去，而不會(huì)到達(dá)接收端，這樣傳感器就能檢測(cè)出氣泡的存在。
   
優(yōu)勢(shì)
 
超聲波氣泡傳感器相較于其他氣泡檢測(cè)設(shè)備，如光學(xué)氣泡檢測(cè)傳感器，具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首先，它是非接觸式的，壽命長(zhǎng)，靈敏度高，響應(yīng)速度快。其次，它對(duì)管路的顏色、透明度、透光性等沒(méi)有嚴(yán)格要求，同時(shí)對(duì)液體的透光性透明度也沒(méi)有要求，可對(duì)非透明的管路及液體進(jìn)行氣泡檢測(cè)。最后，超聲波氣泡傳感器能適應(yīng)各種規(guī)格管路，包括PVC，硅膠，PE和PUR等材質(zhì)軟管。
   
典型應(yīng)用
 
超聲波氣泡傳感器在眾多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，特別是在醫(yī)療器械，半導(dǎo)體生產(chǎn)，生物制藥，工業(yè)自動(dòng)化，食品飲料灌裝，噴涂和潤(rùn)滑等領(lǐng)域中。以下是一些典型應(yīng)用：
 
醫(yī)療器械
在醫(yī)療領(lǐng)域,超聲波氣泡傳感器主要用于各種醫(yī)療輸液設(shè)備中,如輸液泵、透析機(jī)、心肺機(jī)等,通過(guò)檢測(cè)管道中的氣泡來(lái)保證輸液的安全性。此外,在血液處理設(shè)備中也會(huì)用到該傳感器。
 
生物制藥
在生物制藥的色譜分析中，檢測(cè)樣品中的氣泡是極其重要的。氣泡會(huì)影響色譜分析的準(zhǔn)確性，因此需要通過(guò)超聲波氣泡傳感器來(lái)確保樣品中無(wú)氣泡。
 
化工生產(chǎn)
在化工生產(chǎn)中,需要對(duì)反應(yīng)釜、發(fā)酵罐中的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè),避免出現(xiàn)干燥、溢出等情況。超聲波氣泡傳感器可以通過(guò)檢測(cè)液位支路中特定位置的氣液狀態(tài)變化來(lái)監(jiān)測(cè)液位的高低。
 
體外診斷
在體外診斷設(shè)備中，如免疫檢測(cè)和診斷設(shè)備，超聲波氣泡傳感器可以用于檢測(cè)樣本中的氣泡，以提高診斷的準(zhǔn)確性。
 
食品生產(chǎn)
在飲料灌裝、釀造、發(fā)酵等過(guò)程中,需要對(duì)液體進(jìn)行去氣,這時(shí)就需要用到超聲波氣泡傳感器對(duì)氣泡含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
 
打印噴涂
超聲波氣泡傳感器也可用于打印噴頭的堵塞檢測(cè),以及對(duì)管道系統(tǒng)泄漏的監(jiān)測(cè)。在灌裝、打印、噴涂等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，若液體中存在氣泡，可能會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。因此，需要通過(guò)超聲波氣泡傳感器來(lái)確保液體中無(wú)氣泡。
   
與超聲波流量傳感器的區(qū)別
 
超聲波氣泡傳感器和超聲波流量傳感器都是利用超聲波的物理特性進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備，但是它們的功能和應(yīng)用場(chǎng)景有所不同。
超聲波流量傳感器的功能是測(cè)量流體的流速和流量，其工作原理基于時(shí)差法技術(shù)（Time of Flight，ToF）。當(dāng)超聲波在順流方向傳播時(shí)，其傳播時(shí)間會(huì)因流體的流動(dòng)而減小；而在逆流方向傳播時(shí)，其傳播時(shí)間會(huì)因流體的流動(dòng)而增加。超聲波流量傳感器通過(guò)測(cè)量超聲波在順、逆流方向傳播時(shí)間的差值，進(jìn)而計(jì)算流體的流速和流量。
超聲波氣泡傳感器則是通過(guò)檢測(cè)超聲波信號(hào)強(qiáng)度的變化來(lái)監(jiān)測(cè)流體中的氣泡。
在一些對(duì)流體流速和氣泡同時(shí)有監(jiān)測(cè)要求的應(yīng)用中，超聲波流量傳感器和超聲波氣泡傳感器可以一起使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)流體狀態(tài)的全面監(jiān)控。例如，在輸液泵中，超聲波流量傳感器可以用來(lái)控制液體的流量，而超聲波氣泡傳感器則可以用來(lái)檢測(cè)液體中是否存在氣泡。
   
總結(jié)
 
超聲波氣泡傳感器是一種重要的測(cè)量設(shè)備，它利用超聲波的物理特性，能有效地檢測(cè)液體中的氣泡。隨著科技的發(fā)展，超聲波氣泡傳感器的性能將得到進(jìn)一步的提升，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)進(jìn)一步拓展。無(wú)論是在醫(yī)療領(lǐng)域，還是在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波氣泡傳感器都將發(fā)揮更加重要的作用。