摘要：介紹了一種新型的適于安裝在管道上的外夾式超聲波多普勒流量計(jì)探頭。詳細(xì)介紹了超聲多普勒流量計(jì)傳感器的原理、結(jié)構(gòu)，各主要組成部件的材料、外形、功能及重要參數(shù)等，并闡述了探頭的發(fā)射電路基本結(jié)構(gòu)、原理圖及仿真結(jié)果。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該超聲波換能器具有良好而穩(wěn)定的性能，且有廣泛的應(yīng)用前景。
　　　　
　　引言
　　
　　超聲多普勒探頭，即換能器是多普勒流量計(jì)的傳感原件，通常安裝在被測(cè)流體的管道外部，不接觸被測(cè)流體，不干擾流體的流動(dòng)，無(wú)壓力損失，維修方便，特別適用于有毒、有害、有腐蝕性和帶有磨料的液體。其突出優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)高分辨率，對(duì)流速變化響應(yīng)快，對(duì)流體的壓力、粘度、溫度、密度及導(dǎo)電率等因素不敏感，沒(méi)有零點(diǎn)漂移問(wèn)題。它直接影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此無(wú)論是流量計(jì)的設(shè)計(jì)制造者還是
　　
　　使用部門(mén)，對(duì)換能器的選型、材料、結(jié)構(gòu)、工藝及安裝都非常重視，渴求獲得精度高、性能穩(wěn)定的傳感器。
　　
　　1、超聲傳感器
　　
　　超聲傳感器，也即*，是產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，是超聲定位系統(tǒng)中的重要組成部分。
　　
　　通常所說(shuō)的超聲傳感器是指電聲換能器，是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。用來(lái)發(fā)射聲波的傳感器稱為發(fā)射器，當(dāng)傳感器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能來(lái)接收聲波的傳感器稱為接收器，當(dāng)傳感器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲傳感器的工作原理大體是相同的，通常都有一個(gè)電儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)用作發(fā)射器時(shí)，從激勵(lì)電源的輸出級(jí)送來(lái)的電振蕩信號(hào)將引起傳感器中電儲(chǔ)能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，這種電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化對(duì)傳感器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，從而推動(dòng)與傳感器機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)發(fā)生振動(dòng)，向介質(zhì)中輻射超聲波。接收超聲波的過(guò)程正好與此相反，在接收超聲波的情況下，外來(lái)超聲波作用在傳感器的振動(dòng)面上，從而使傳感器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，借助于物理效應(yīng)引起傳感器儲(chǔ)能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起傳感器的電輸出端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于聲信號(hào)的電壓和電流。通過(guò)對(duì)電壓或是電流信號(hào)的數(shù)字處理，獲取所需信息。超聲多普勒流量計(jì)探頭正是應(yīng)用這種原理制造的。
　　
　　2、超聲多普勒流量計(jì)探頭結(jié)構(gòu)
　　
　　超聲多普勒流量計(jì)的外夾式探頭，測(cè)量、安裝和維修均不影響管道流體狀態(tài)，無(wú)流動(dòng)壓力損失，且便攜性好，拆卸方便。其探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。　　
　　探頭殼體用鋁制成，上有凹面槽，便于用固定帶外夾捆綁安裝在管道外壁上。
　　
　　壓電換能器晶片采用性能優(yōu)良的壓電陶瓷材料PsnN-51。壓電晶片為薄圓片型，沿厚度方向振動(dòng)，產(chǎn)生的超聲波為縱波。該壓電陶瓷靈敏度和居里溫度高、各種參數(shù)時(shí)間穩(wěn)定性好，具有較高的介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，非常適用于高溫高壓環(huán)境下的超聲多普勒流量測(cè)量。
　　
　　探頭中填充的背襯材料選用硅膠，為高阻抗、高衰減的吸聲材料，可以吸收壓電換能器晶片背面輻射的超聲波并將其轉(zhuǎn)換為熱能，減小背面輻射產(chǎn)生的干擾。
　　
　　匹配元件為電感，可以改善發(fā)射、接收電路與壓電換能器晶片之間的機(jī)電耦合性能。
　　
　　晶片前端有阻抗匹配層，厚度為1／4超聲波波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)換能器晶片和聲楔之間的聲阻抗過(guò)渡，避免因阻抗的顯著差異而降低界面透射系數(shù)，避免壓電換能器晶片以高Q值振蕩從而影響探頭的發(fā)射接收性能。聲楔的傾斜角度設(shè)計(jì)以及材料的選用是為了避免超聲波在管道和流體中傳播時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的交混回響，并提高信號(hào)強(qiáng)度。這里選用聚醚酰亞胺（PEI），常溫（20℃）下縱波傳播的聲速c為2424m／s。
　　
　　3、多普勒探頭發(fā)射電路設(shè)計(jì)及仿真
　　
　　超聲波發(fā)射電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。超聲脈沖的發(fā)射是由壓電換能器完成的，它的能量取自高壓脈沖發(fā)生器所提供的高壓電脈沖。在圖2中，通過(guò)限流電阻R隔直流電容器CB被充電到VH，在常用的超聲多普勒流量計(jì)中，VH電壓在數(shù)十伏到幾百伏范圍內(nèi)，R、CB時(shí)間常數(shù)由系統(tǒng)的zui大脈沖重復(fù)頻率決定。開(kāi)關(guān)S是一個(gè)快速的電子器件，當(dāng)其激發(fā)時(shí)（接通），引起一次從隔直流電容器向換能器及其相連的電負(fù)載的電荷轉(zhuǎn)移，此處的電負(fù)載是指電阻與調(diào)諧電感的組合。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射電路與換能器之間有較長(zhǎng)的一段有損耗的連接電纜，可用集中傳輸線來(lái)模擬電纜的影響。對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，用一個(gè)LC網(wǎng)絡(luò)代替就可以了。　　
　　多普勒探頭采用單元式換能器對(duì)目標(biāo)流體進(jìn)行測(cè)量。為兼顧整機(jī)靈敏度，通常使用較高的高壓電源，例如150～350V。圖3給出了一種具體的發(fā)射電路，R2與C2的串聯(lián)為換能器的等效電路。該電路設(shè)計(jì)過(guò)程使用NationalInstrument公司出品的MultiSim軟件進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4所示。輸入2MHz、峰峰值為5V的矩形波，輸出為2MHz、峰峰值為17．8V。　　
　　4、實(shí)驗(yàn)與分析
　　
　　超聲多普勒探頭安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。管道外壁上開(kāi)有與探頭大小匹配的卡槽，將發(fā)射與接收探頭沿直徑方向?qū)ΨQ的嵌人管壁外側(cè)的卡槽中，且收發(fā)射晶片以45°傾角面對(duì)著管道中液流的方向。用黃油、凡士林或硅膠黏合劑等將探頭表面與管道耦合，排除空氣的影響，提高超聲波的穿透能力，并固定使之不隨測(cè)試管道的振動(dòng)及外界條件的改變而活動(dòng)。探頭后端的數(shù)據(jù)傳輸線與測(cè)試處理電路板連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理并顯示。　　
　　應(yīng)用此超聲波多普勒流量計(jì)探頭研究多相流的流量，以紊流模型為基礎(chǔ)，采用模型分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)多相流進(jìn)行總體積流量實(shí)時(shí)在線測(cè)量。
　　
　　經(jīng)試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的超聲波換能器具有如下優(yōu)點(diǎn)：
　　
　?。?）功率小，使換能器發(fā)出的聲波不致引起被測(cè)流體流場(chǎng)形態(tài)的改變，同時(shí)又有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使接收到的聲信號(hào)有zui大的信噪比，并且有較好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性；
　　
　?。?）在被測(cè)流體流速一定的情況下，能獲得zui大的多普勒頻移；
　　
　　（3）在功率一定的情況下，有較大的聲能透射到流體中。