以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行超聲波換能器設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選擇研究，設(shè)計(jì)出適用于多普勒流量計(jì)的超聲波換能器。結(jié)合多普勒效應(yīng)，介紹了超聲波多普勒流量計(jì)的原理和超聲波換能器結(jié)構(gòu)，分析了超聲波在管道中的傳播過(guò)程、換能器等效電路及其材料選擇，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到換能器尺寸以及發(fā)射角度等參數(shù)，根據(jù)這些技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行換能器設(shè)計(jì)。對(duì)超聲波換能器進(jìn)行測(cè)試，配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路，得到諧振頻率、等效電路的基本參數(shù)，收發(fā)信號(hào)的幅度有所提高，達(dá)到流量測(cè)量要求。

1.引言

超聲波流量計(jì)是隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展開始應(yīng)用的一種非接觸式實(shí)時(shí)在線測(cè)量?jī)x表，其安裝于被測(cè)管道的外側(cè)，因此測(cè)量結(jié)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(cè)和控制中，需要檢測(cè)各種流體的流量。因此，流量計(jì)的性能對(duì)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(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)的基石。

超聲波流量計(jì)所用到的換能器，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另外一種形式能量的裝置，即實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉(zhuǎn)換。按照實(shí)現(xiàn)換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)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，在眾多的換能器類型中，壓電換能器以其機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高（通?？蛇_(dá)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(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為研究與應(yīng)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(cè)量原理，對(duì)單向流體流量測(cè)量中使用的壓電式換能器參數(shù)的選取進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道流體的可靠超聲波定量檢測(cè)，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(jì)測(cè)量原理

物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)可以簡(jiǎn)單表述為，當(dāng)觀察者和聲源間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀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(duì)速度是成正比的。超聲波多普勒流量計(jì)，就是通過(guò)測(cè)定流體中運(yùn)動(dòng)粒子產(chǎn)生的散射聲波頻移，完成對(duì)流體流速、流量檢測(cè)。

超聲波多普勒流量計(jì)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(hào)，透射進(jìn)管道，入射到不均勻的流體中，如果流體中帶著以速度ｖ運(yùn)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(hào)，該散射信號(hào)被Ｒ 接收，經(jīng)調(diào)理電路后輸入到DSP系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理.

在給定管道條件和介質(zhì)的情況下，只要測(cè)量出多普勒頻移 ｆ，依據(jù)式（１）就可以計(jì)算出流速ｖ，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：

３.超聲波多普勒流量計(jì)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(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(gòu)成一個(gè)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(dòng)方式，根據(jù)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２所示。

圓薄片振子工作在厚度方向振動(dòng)模式時(shí)，應(yīng)變Ｓ和電位移Ｄ 為自變量，應(yīng)力Ｔ 和電場(chǎng)強(qiáng)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：

４．１壓電陶瓷材料選擇

換能器材料種類繁多、各具特點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇換能器的材料。ＰＺＴ－４具有高機(jī)電耦合系數(shù)、高壓電常數(shù)和低介電損耗、低機(jī)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(jī)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(qiáng)度、穩(wěn)定性及介電損耗等性能優(yōu)于ＰＺＴ－４，常用來(lái)制作高機(jī)械振幅的發(fā)射型換能器；ＰＺＴ－５具有靈敏度高、機(jī)電耦合系數(shù)大、機(jī)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(diǎn)，主要用于高靈敏度換能器、流量計(jì)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(jī)電耦合系數(shù)，適合用于超聲多普勒流量測(cè)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(jì)的斜探頭采用連續(xù)波方式激勵(lì)，當(dāng)換能器受到激勵(lì)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(duì)于流量測(cè)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(huì)增大超聲波在介質(zhì)中的衰減，而且還會(huì)加大電路設(shè)計(jì)的難度，通常，工業(yè)測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確性以及保證精度，應(yīng)盡量減少聲場(chǎng)的指向角，壓電陶瓷片的指向性為：

5.透聲楔塊的選擇

５．１ 聲楔的材料

常用聲楔材料有有機(jī)玻璃、ＡＢＳ塑料、聚砜等，這些材料的衰減常數(shù)都相當(dāng)小，因此稱為透聲材料，盡管透聲 而：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(yán)重，影響到檢測(cè)精度和效率。因而聲衰減應(yīng)盡量小為好，而雜波回射等問(wèn)題可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)透聲楔形狀等措施解決。

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(zhuǎn)換成２束縱波在流體中傳播，２束縱波在對(duì)面的管壁又轉(zhuǎn)換成２束縱波和２束橫波傳播。

當(dāng)斜入射縱波時(shí)，根據(jù)折射定律有：

考慮到加工的難易、衰減常數(shù)等因素，選擇有機(jī)玻璃作為透聲楔塊的材料。其密度為１．２０ｋｇ／ｍ３，有著極高的透明度，透射率高達(dá)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?yàn)榻缑鎯蓚?cè)的介質(zhì)不同，將會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。

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(jī)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(hào)，使有用信號(hào)盡可能多的投射到管道中。

６.測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

經(jīng)過(guò)本文的分析，將直徑為２５ｍｍ 的壓電陶瓷片，用環(huán)氧樹脂、固化劑和硅膠固定封裝在傾斜角為３３°的梯形有機(jī)玻璃聲楔塊上，環(huán)氧樹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。

用阻抗分析儀測(cè)量其諧振頻率和等效電路參數(shù)，如圖７和圖８所示。

用耦合劑將換能器相向而接，對(duì)研制的超聲波多普勒探頭進(jìn)行性能測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)試用。用信號(hào)源產(chǎn)生峰－峰值為２０Ｖ的信號(hào)，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(duì)比，使用３３°聲楔的換能器比４５°聲楔換能器接收到的信號(hào)的效果有明顯的提高。

采用本方法設(shè)計(jì)得到的超聲波多普勒換能器，對(duì)于流量計(jì)系統(tǒng)的靈敏度和回波信號(hào)的幅度都有明顯改善，可以應(yīng)用在超聲波流量計(jì)系統(tǒng)上。