超聲波多普勒流量計換能器的研究與應用

    1 引言

    超聲波流量計是隨著(zhù)集成電路技術(shù)迅速發(fā)展開(kāi)始應用的一種非接觸式實(shí)時(shí)在線(xiàn)測量?jì)x表，其安裝于被測管道的外側，因此測量結果不會(huì )受到流體的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的影響。此外，在石油化工生產(chǎn)過(guò)程、自動(dòng)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(zhù)極為關(guān)鍵的作用，而換能器又是整個(gè)流量測量系統的基石。

    超聲波流量計所用到的換能器，是將一種形式的能量轉換為另外一種形式能量的裝置，即實(shí)現電能和聲能之間的相互轉換。按照實(shí)現換能器機電轉換的物理效應的不同，可以將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式、壓電式等，在眾多的換能器類(lèi)型中，壓電換能器以其機電轉換效率高（通�？蛇_到80%左右）；容易成型，可以加工成各種形狀；造價(jià)低廉；性能較穩定等優(yōu)點(diǎn)，成為研究與應用最為廣泛的超聲換能器之一。

    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的選取進(jìn)行研究，實(shí)現對管道流體的可靠超聲波定量檢測，為后續電路提供可靠的數據。

    2 超聲波多普勒流量計測量原理

    物理學(xué)中的多普勒效應可以簡(jiǎn)單表述為，當觀(guān)察者和聲源間有相對運動(dòng)時(shí)，觀(guān)察者收到的頻率與聲源所發(fā)出的頻率將會(huì )有個(gè)頻率差異，而這個(gè)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(guò)測定流體中運動(dòng)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(jìn)管道，入射到不均勻的流體中，如果流體中帶著(zhù)以速度v運動(dòng)的散射體（如氣泡、懸浮粒子等），部分聲能將會(huì )被散射，而形成f′信號，該散射信號被R接收，經(jīng)調理電路后輸入到DSP系統進(jìn)行信號處理。

圖1 超聲波多普勒流量計原理

    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，依據式（1）就可以計算出流速υ，式（1）中，聲波從聲楔進(jìn)入管壁的入射角為α，c1為聲楔中的縱波聲速：

        （1）

    3 超聲波多普勒流量計探頭結構

    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(shí)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(lái)，封裝在一起，構成一個(gè)完整的超聲波斜探頭，其結構如圖2所示。

圖2 超聲波多普勒探頭示意

    4 壓電晶片的參數選擇

    超聲波換能器使用的是薄圓片振子，它工作在厚度振動(dòng)方式，根據壓電陶瓷理論，將振子簡(jiǎn)化成一個(gè)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，如圖3所示。

圖3 電場(chǎng)平行于波傳播方向的厚度伸縮晶片

    圓薄片振子工作在厚度方向振動(dòng)模式時(shí)，應變S和電位移D為自變量，應力T和電場(chǎng)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(wèn)題方便：

        （2）

    壓電陶瓷的機械振動(dòng)方程為：

        （3）

    由此可以得到壓電陶瓷的機電等效電路，如圖4所示。

圖4 厚度伸縮晶片的機電等效電路

    4.1 壓電陶瓷材料選擇

    換能器材料種類(lèi)繁多、各具特點(diǎn)，要根據實(shí)際需要來(lái)選擇換能器的材料。PZT-4具有高機電耦合系數、高壓電常數和低介電損耗、低機械損耗等特性，適合用作中功率發(fā)射型壓電換能器；PZT-8的機電耦合系數、電容率和壓電常數比PZT-4稍低，但其抗張強度、穩定性及介電損耗等性能優(yōu)于PZT-4，常用來(lái)制作高機械振幅的發(fā)射型換能器；PZT-5具有靈敏度高、機電耦合系數大、機械品質(zhì)因素低、介電常數適中、老化性能好、穩定性好等特點(diǎn)，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，各種參數穩定性好，具有較高的介電常數和機電耦合系數，適合用于超聲多普勒流量測量。具體參數如表1所示。

表1 壓電陶瓷P-51的主要參數

    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(dòng)，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(zhù)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(huì )增大超聲波在介質(zhì)中的衰減，而且還會(huì )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(chǎng)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(cháng)，D為聲源直徑。由此可見(jiàn)：當頻率一定時(shí)，壓電陶瓷片的直徑越大，擴散角越小，指向性越好，聲場(chǎng)能量主要集中在遠場(chǎng)區聲軸線(xiàn)附近區域。選定的直徑為25mm。

    4.3.2 晶片的厚度 

    晶片的頻率常數N等于機械共振頻率與決定該頻率的線(xiàn)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都相當小，因此稱(chēng)為透聲材料，盡管透聲楔材料的衰減有利于吸收雜波，但過(guò)大聲衰減會(huì )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(wèn)題可以通過(guò)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(zhù)極高的透明度，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(shí)，因為界面兩側的介質(zhì)不同，將會(huì )發(fā)生波形轉換。

圖4 斜入射時(shí)的折射波和反射波

    壓電陶瓷處于厚度振動(dòng)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種波形均轉換成2束縱波在流體中傳播，2束縱波在對面的管壁又轉換成2束縱波和2束橫波傳播。

    當斜入射縱波時(shí)，根據折射定律有：

        （6）

    當θ_L小于第1臨界角θ_CL時(shí)，縱波折射波和橫波折射波都存在，θ_CL由下式?jīng)Q定：

        （7）

    當θ_L大于第1臨界角θ_CL，小于第2臨界角θ_CT時(shí)，沒(méi)有縱波折射波，只有橫波折射波；

    則當θ_L大于第2臨界角θ_CT時(shí)，橫波折射波也不存在了，θ_CT可由式（8）決定：

        （8）

    當入射為縱波時(shí)，根據折射定律有：

        （9）

    當θ_T大于第1臨界角θ_CL時(shí)，則縱波折射波就不存在，而：

        （10）

    當θ_T大于第2臨界角_θCT時(shí)，縱波折射波和橫波折射波都不存在，而：

        （11）

    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°作為聲楔的傾斜角。

    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。合理的聲楔結構，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 測試結果與結論

    經(jīng)過(guò)本文的分析，將直徑為25mm的壓電陶瓷片，用環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂不光作為壓電陶瓷的襯底，同時(shí)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，如圖5、圖6所示。

圖5 聲楔實(shí)物

圖6 換能器外殼

    用阻抗分析儀測量其諧振頻率和等效電路參數，如圖7和圖8所示。

圖7 諧振頻率

圖8 等效電路參數

    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(jìn)行性能測試、現場(chǎng)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(guò)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。

圖9 45°聲楔換能器

圖10 33°聲楔換能器

    采用本方法設計得到的超聲波多普勒換能器，對于流量計系統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上。