一種新型超聲多普勒流量計探頭的設計

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探頭。詳細介紹了超聲多普勒流量計傳感器的原理、結構，各主要組成部件的材料、外形、功能及重要參數等，并闡述了探頭的發(fā)射電路基本結構、原理圖及仿真結果。經(jīng)實(shí)踐檢驗，該超聲波換能器具有良好而穩定的性能，且有廣泛的應用前景。
關(guān)鍵詞：超聲換能器；超聲傳感器；超聲探頭；超聲多普勒

0 引言
超聲多普勒探頭，即換能器是多普勒流量計的傳感原件，通常安裝在被測流體的管道外部，不接觸被測流體，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)現高分辨率，對流速變化響應快，對流體的壓力、粘度、溫度、密度及導電率等因素不敏感，沒(méi)有零點(diǎn)漂移問(wèn)題。它直接影響流量計的測量準確度，因此無(wú)論是流量計的設計制造者還是
使用部門(mén)，對換能器的選型、材料、結構、工藝及安裝都非常重視，渴求獲得精度高、性能穩定的傳感器。

1 超聲傳感器
超聲傳感器，也即超聲換能器，是產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，是超聲定位系統中的重要組成部分。
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化為聲能、又可以把聲能轉化為電能的器件或裝置。用來(lái)發(fā)射聲波的傳感器稱(chēng)為發(fā)射器，當傳感器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉換為機械能，再將機械能轉換為聲能來(lái)接收聲波的傳感器稱(chēng)為接收器，當傳感器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉換為機械能，再轉換為電能。超聲傳感器的工作原理大體是相同的，通常都有一個(gè)電儲能元件和一個(gè)機械振動(dòng)系統。當用作發(fā)射器時(shí)，從激勵電源的輸出級送來(lái)的電振蕩信號將引起傳感器中電儲能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，這種電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化對傳感器的機械振動(dòng)系統產(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)與傳感器機械振動(dòng)系統相接觸的介質(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，從而使傳感器的機械振動(dòng)系統發(fā)生振動(dòng)，借助于物理效應引起傳感器儲能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生相應的變化，從而引起傳感器的電輸出端產(chǎn)生一個(gè)相應于聲信號的電壓和電流。通過(guò)對電壓或是電流信號的數字處理，獲取所需信息。超聲多普勒流量計探頭正是應用這種原理制造的。

2 超聲多普勒流量計探頭結構
超聲多普勒流量計的外夾式探頭，測量、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。其探頭結構示意圖如圖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、各種參數時(shí)間穩定性好，具有較高的介電常數和機電耦合系數，非常適用于高溫高壓環(huán)境下的超聲多普勒流量測量。
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(cháng)，可以實(shí)現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(zhù)差異而降低界面透射系數，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。聲楔的傾斜角度設計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)生較強的交混回響，并提高信號強度。這里選用聚醚酰亞胺(PEI)，常溫(20℃)下縱波傳播的聲速c為2424 m／s。
3 多普勒探頭發(fā)射電路設計及仿真
超聲波發(fā)射電路的基本結構如圖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中，VH電壓在數十伏到幾百伏范圍內，R、CB時(shí)間常數由系統的最大脈沖重復頻率決定。開(kāi)關(guān)S是一個(gè)快速的電子器件，當其激發(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載的電荷轉移，此處的電負載是指電阻與調諧電感的組合。在實(shí)際應用中，發(fā)射電路與換能器之間有較長(cháng)的一段有損耗的連接電纜，可用集中傳輸線(xiàn)來(lái)模擬電纜的影響。對大多數的應用來(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目標流體進(jìn)行測量。為兼顧整機靈敏度，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。該電路設計過(guò)程使用National Instrument公司出品的MultiSim軟件進(jìn)行了仿真，結果如圖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。