多普勒超聲波流量計換能器的設計與應用測試 ，超聲波流量計是隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展開始應用的一種非接觸式實時在線測量儀表，其安裝于被測管道的外側(cè)，因此測量結(jié)果不會受到流體的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)的影響，此外，在石油化工生產(chǎn)過程、自動檢測和控制中，需要檢測各種流體的流量，因此，流量計的性能對工業(yè)的發(fā)展有著極為關(guān)鍵的作用，而換能器又是整個流量測量系統(tǒng)的基石。
基于超聲波的多普勒頻移測量原理，對單向流體流量測量中使用的壓電式換能器參數(shù)的選取進行研究，實現(xiàn)對管道流體的可靠超聲波定量檢測，為后續(xù)電路提供可靠的數(shù)據(jù)。
2 超聲波多普勒流量計測量原理
物理學中的多普勒效應可以簡單表述為，當觀察者和聲源間有相對運動時，觀察者收到的頻率與聲源所發(fā)出的頻率將會有個頻率差異，而這個頻率差異與兩物體的相對速度是成正比的。超聲波多普勒流量計，就是通過測定流體中運動粒子產(chǎn)生的散射聲波頻移，完成對流體流速、流量檢測。
超聲波多普勒流量計的原理如圖1所示，T和R分別代表發(fā)射和接收換能器。由T發(fā)出頻率為f的超聲波信號，透射進管道，入射到不均勻的流體中，如果流體中帶著以速度v運動的散射體（如氣泡、懸浮粒子等），部分聲能將會被散射，而形成f′信號，該散射信號被R接收，經(jīng)調(diào)理電路后輸入到DSP系統(tǒng)進行信號處理。
在給定管道條件和介質(zhì)的情況下，只要測量出多普勒頻移Δf，依據(jù)式（1）就可以計算出流速υ，式（1）中，聲波從聲楔進入管壁的入射角為α，c1為聲楔中的縱波聲速：
3 超聲波多普勒流量計探頭結(jié)構(gòu)
超聲波探頭通常分為直探頭、斜探頭、帶曲率探頭、聚焦探頭、表面波探頭等幾種，為了使聲波入射到管道時成一定的角度，所以需要采用透聲楔塊，將聲楔和壓電陶瓷片等部件組合起來，封裝在一起，構(gòu)成一個完整的超聲波斜探頭，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
4 壓電晶片的參數(shù)選擇
超聲波換能器使用的是薄圓片振子，它工作在厚度振動方式，根據(jù)壓電陶瓷理論，將振子簡化成一個半徑為a，厚度為t的圓形晶片，極化方向沿厚度方向，壓電振子的電極面積為S。
圓薄片振子工作在厚度方向振動模式時，應變S和電位移D為自變量，應力T和電場強度E為因變量，這種情況下，選擇用h型壓電方程，有利于分析問題方便：
4.1 壓電陶瓷材料選擇
換能器材料種類繁多、各具特點，要根據(jù)實際需要來選擇換能器的材料。PZT-4具有高機電耦合系數(shù)、高壓電常數(shù)和低介電損耗、低機械損耗等特性，適合用作**率發(fā)射型壓電換能器；PZT-8的機電耦合系數(shù)、電容率和壓電常數(shù)比PZT-4稍低，但其抗張強度、穩(wěn)定性及介電損耗等性能優(yōu)于PZT-4，常用來制作高機械振幅的發(fā)射型換能器；PZT-5具有靈敏度高、機電耦合系數(shù)大、機械品質(zhì)因素低、介電常數(shù)適中、老化性能好、穩(wěn)定性好等特點，主要用于高靈敏度換能器、流量計換能器等，適用于制做發(fā)射和接收兩用型壓電換能器。
選擇的壓電陶瓷材料是P-51，該壓電陶瓷具有較高的靈敏度和居里溫度，各種參數(shù)穩(wěn)定性好，具有較高的介電常數(shù)和機電耦合系數(shù)，適合用于超聲多普勒流量測量。具體參數(shù)如表1所示。
4.2 壓電陶瓷頻率選擇
超聲波多普勒流量計的斜探頭采用連續(xù)波方式激勵，當換能器受到激勵后，壓電陶瓷按照固有頻率振動，并向外輻射超聲波，因此，壓電陶瓷固有頻率對于流量測量起著決定性的作用，一般為了提高精度，選擇高頻率的探頭，但頻率太高，不僅會增大超聲波在介質(zhì)中的衰減，而且還會加大電路設計的難度，通常，工業(yè)測量中用的頻率范圍為0.5MHz到2MHz，選擇的頻率為640kHz。
4.3 晶片尺寸
4.3.1 晶片面積
為了提高測量的準確性以及保證精度，應盡量減少聲場的指向角，壓電陶瓷片的指向性為：
θ＝arcsin（1.22λ/D） （4）
式中：θ為波束半擴散角，λ為超聲波波長，D為聲源直徑。由此可見：當頻率一定時，壓電陶瓷片的直徑越大，擴散角越小，指向性越好，聲場能量主要集中在遠場區(qū)聲軸線附近區(qū)域。選定的直徑為25mm。
4.3.2 晶片的厚度
晶片的頻率常數(shù)N等于機械共振頻率與決定該頻率的線度尺寸h的乘積，即：
N＝f0h （5）
5 透聲楔塊的選擇
5.1 聲楔的材料
常用聲楔材料有有機玻璃、ABS塑料、聚砜等，這些材料的衰減常數(shù)都相當小，因此稱為透聲材料，盡管透聲楔材料的衰減有利于吸收雜波，但過大聲衰減會使探頭發(fā)射、接收的超聲波能量在聲楔中損失嚴重，影響到檢測精度和效率。因而聲衰減應盡量小為好，而雜波回射等問題可以通過合理設計透聲楔形狀等措施解決。
考慮到加工的難易、衰減常數(shù)等因素，選擇有機玻璃作為透聲楔塊的材料。其密度為1.20kg/m3，有著*的透明度，透射率高達93%，常溫（20℃）下縱波傳播的聲速為2730m/s。
5.2 聲楔的角度
由圖4所示，以α為入射角的超聲波縱波或者橫波，將產(chǎn)生縱波和橫波2種波形，即超聲波從一種介質(zhì)入射到另一介質(zhì)的時，因為界面兩側(cè)的介質(zhì)不同，將會發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。
壓電陶瓷處于厚度振動模式，產(chǎn)生的縱波在聲楔和管道界面處，產(chǎn)生1束縱波和1束橫波，在管壁和流體界面處，2種波形均轉(zhuǎn)換成2束縱波在流體中傳播，2束縱波在對面的管壁又轉(zhuǎn)換成2束縱波和2束橫波傳播。
若管道為鋼管，探頭用有機玻璃作為聲楔，則為了提高探頭接收信號的選擇性，一般選擇入射角的范圍為28.7°＜α＜60°。選擇33°作為聲楔的傾角
5.3 聲楔尺寸
綜上考慮，用AutoCAD繪制換能器聲楔的尺寸圖，用有機玻璃制作出透聲楔塊。合理的聲楔結(jié)構(gòu)，可以減少壓電陶瓷片所產(chǎn)生的雜波信號，使有用信號盡可能多的投射到管道中。
6 測試結(jié)果與結(jié)論
經(jīng)過本文的分析，將直徑為25mm的壓電陶瓷片，用環(huán)氧樹脂、固化劑和硅膠固定封裝在傾斜角為33°的梯形有機玻璃聲楔塊上，環(huán)氧樹脂不光作為壓電陶瓷的襯底，同時也很好的加固了壓電陶瓷的任性。將它們封裝在特制的鋁質(zhì)外殼中，用電纜引出壓電陶瓷片的兩極，完成換能器的制作。
用耦合劑將換能器相向而接，對研制的超聲波多普勒探頭進行性能測試、現(xiàn)場試用。用信號源產(chǎn)生峰-峰值為20V的信號，頻率是壓電陶瓷的諧振頻率，如圖9和圖10所示，則經(jīng)過對比，使用33°聲楔的換能器比45°聲楔換能器接收到的信號的效果有明顯的提高。
采用本方法設計得到的超聲波多普勒換能器，對于超聲波流量計系統(tǒng)的靈敏度和回波信號的幅度都有明顯改善，可以應用在超聲波流量計系統(tǒng)上。
