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由于超聲波傳播具有指向性，即存在指向角，且在實(shí)際中存在層流與紊流的影響，則超聲波到達(dá)接收面的中心和周邊存在時(shí)間差。因此，便存在受聲傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度的非均勻性與非對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題。

本文提出了一種改進(jìn)方法，在現(xiàn)有傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上，將壓電元件分成兩體結(jié)構(gòu)，在不影響有效接收信號(hào)強(qiáng)度的前提下，改善了接收信號(hào)的均勻性、對(duì)稱(chēng)性，提高了信噪比，對(duì)保證超聲波流量計(jì)的測(cè)量精確度具有顯著意義。

2 目前技術(shù)存在的問(wèn)題

2.1 超聲波波束角

超聲波發(fā)射波束形狀如圖2所示。某一點(diǎn)發(fā)出的速度為ｃ的超聲波以一定指向角θ發(fā)射，超聲波呈圓盤(pán)狀向接收側(cè)發(fā)射，且圓盤(pán)狀的截面積由小到大。

2.2理想狀態(tài)下均勻性與對(duì)稱(chēng)性分析

理想狀態(tài)是指流體在管道內(nèi)的流速是一致的。

設(shè)超聲波沿順流方向傳播時(shí)，波在中心線傳播的時(shí)間為，沿θ方向傳播的時(shí)間為，則：

因?yàn)閏>>v，所以理想狀態(tài)下超聲波順流方向傳播時(shí)，超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差為：

(1)

設(shè)超聲波沿逆流方向傳播時(shí)，依據(jù)式(1)計(jì)算原理可知，超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差為：

(2)

由式(1)、式(2)比較可知：。

說(shuō)明超聲波與流速方向一致時(shí)，超聲波分別沿中心線與以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差，大于超聲波與流速方向不一致時(shí)，超聲波分別沿中心線與以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差。也就是說(shuō)，當(dāng)管道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，接收到的超聲波存在非均勻性和非對(duì)稱(chēng)性。

2.3非理想狀態(tài)下均勻性與對(duì)稱(chēng)性分析

對(duì)于非理想狀態(tài)，液體存在粘滯性而具有兩種流動(dòng)形態(tài)。液體質(zhì)點(diǎn)做有條不紊的運(yùn)動(dòng)、彼此不相混摻的形態(tài)稱(chēng)為層流，液體質(zhì)點(diǎn)做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、互相混摻、軌跡曲折混亂的狀態(tài)稱(chēng)為紊流。圖3為層流與紊流流速分布比較，為軸心線流速，v表示面流速。兩者之間的關(guān)系為：

層流：

紊流：(取0.825進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算)

2.3.1 層流狀態(tài)下均勻性與對(duì)稱(chēng)性分析

設(shè)超聲波沿順流方向傳播時(shí)，依據(jù)式(1)計(jì)算原理可知，超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差為：

(3)

設(shè)超聲波沿逆流方向傳播時(shí)，依據(jù)式(2)計(jì)算原理可知，超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差為：

(4)

式(3)、式(4)比較可知: 。

2.3.2 紊流狀態(tài)下均勻性與對(duì)稱(chēng)性分析設(shè)超聲波沿順流方向傳播時(shí)，依據(jù)式(1)計(jì)算原理可知，超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差為：

(5)

聲波沿逆流方向傳播時(shí)，依據(jù)式(2)計(jì)算原理可知，超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達(dá)接受面的時(shí)間差為：

(6)

式(5)、式(6)比較可知：。

由上述分析得知：

，，

可見(jiàn)，無(wú)論流體流速方向與超聲波傳輸方向是否一致，超聲波到達(dá)接收側(cè)的中心與周邊區(qū)域的時(shí)間都會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差。即：因?yàn)榇嬖谥赶蚪?theta;，所以沿中心線方向的超聲波到達(dá)時(shí)間要短于超聲波到達(dá)周邊區(qū)域的時(shí)間，且順向時(shí)間差大于逆向時(shí)間差。

這樣，就存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①超聲波傳感器接收的能量不夠集中，主要原因是中心部位與周邊部位存在接收信號(hào)強(qiáng)度的差異。同時(shí)，存在接收信號(hào)強(qiáng)度的非均勻性，這會(huì)降低接收信號(hào)的信噪比；②順、逆兩向都存在非均勻性，并且順、逆兩向的非均勻性不一致，這就造成了兩個(gè)傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度的非對(duì)稱(chēng)性，直接影響信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)接收電路處理信號(hào)的效果。

以上兩個(gè)問(wèn)題都影響到流量檢測(cè)的精確度。

3 數(shù)據(jù)分析與改進(jìn)措施

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本文提出的改進(jìn)方法是：將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的壓電元件分為壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊，壓電元件模塊設(shè)置在外環(huán)，虛擬壓電元件模塊設(shè)置在內(nèi)環(huán)，虛擬壓電元件不具有壓電效應(yīng)。如圖5所示。

因?yàn)閴弘娫K的內(nèi)外徑之差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓電元件外徑，這就將有效接收信號(hào)的角度限制在很小的一個(gè)范圍內(nèi)，進(jìn)而減小了順逆兩向超聲波信號(hào)到達(dá)接收側(cè)的時(shí)間差，大大改善了接收信號(hào)的非均勻性、非對(duì)稱(chēng)性，提高了信噪比。同時(shí)，將外環(huán)作為壓電元件模塊，保證了超聲波信號(hào)的接收面積，也就保證了接收信號(hào)的強(qiáng)度。

本文以值與最小值之差除以流速作為相對(duì)偏差量來(lái)說(shuō)明該改進(jìn)方法的性。如表1，在全流速段內(nèi)選擇10個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

為便于對(duì)比，本文把流速為零的接收信號(hào)時(shí)間差與接收信號(hào)強(qiáng)度等值依據(jù)表1得對(duì)比曲線，如圖6所示。

由表1和圖6可知。

現(xiàn)有技術(shù)接收信號(hào)時(shí)間差的相對(duì)偏差量：

(611.76-101.56)/356.66≈143%

改善后接收信號(hào)時(shí)間差的相對(duì)偏差量：

(466.93-266.39)/356.66≈51%

現(xiàn)有技術(shù)接收信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)偏差量：

(1252.55-207.93) /356.66≈293%

改善后接收信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)偏差量：

(477.52-284.62) /356.66≈54%

可以看出，改善后接收信號(hào)時(shí)間差的相對(duì)偏差量由143%降低到51%，其均方差由161.34ns降到57.08ns接收信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)偏差量由293%降低到54%，其均方差由304.96降到60.47。表明，該方法大大改善了接收信號(hào)時(shí)間差與強(qiáng)度的對(duì)稱(chēng)性和均勻性，流量檢測(cè)精確度可得到大幅度的改善。

文章摘自：王翥, 崔曉志, 侯春雷. 超聲波傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度非對(duì)稱(chēng)性分析及對(duì)策[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2015(1):81-85.