文中擬采用的超聲波傳感器適用于時(shí)差法原理的氣體流量測(cè)量，適用于大管徑氣體流量的高精度測(cè)量(管徑范圍可達(dá)DN100一DN1600，其中DN表管道內(nèi)徑，單位:~)，測(cè)量**度高，可達(dá)t0.5%，重復(fù)性高，可達(dá)0. 1 %;其測(cè)量方式為接觸式，信號(hào)輸出方式為電壓輸出。
超聲波傳感器也稱探頭，在此超聲波流量測(cè)量中它主要利用超聲波束在流動(dòng)氣體中順流和逆流傳播所用時(shí)間不同來(lái)測(cè)量流量的。
超聲波傳感器的核心是壓電晶片，其工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)(承受應(yīng)力時(shí)能在材料中產(chǎn)生電場(chǎng)，稱正效應(yīng);而承受電場(chǎng)時(shí)材料又會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，稱逆效應(yīng))，逆效應(yīng)用于超聲波的發(fā)射，正效應(yīng)用于超聲波的接收。
*是一種能量轉(zhuǎn)換器件，其性能描述與評(píng)價(jià)需要許多參數(shù)，*的特性參數(shù)包括共振頻率、頻帶寬度、機(jī)電禍合系數(shù)、電聲效率、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、阻抗特性、指向性、發(fā)射及接收靈敏度等。不同用途的換能器對(duì)性能參數(shù)要求不同。超聲能量在不同物質(zhì)界面上的傳播透射率與兩者的聲阻抗有關(guān)，聲阻抗定義為材料密度和內(nèi)部聲速的乘積。在氣體的輸送過(guò)程中，不可避免地存在壓力波動(dòng)并引起密度變化，從而引起聲阻抗以及聲波透射率變化，*明顯的表現(xiàn)就是波形幅值不穩(wěn)定。
1超聲波傳感器頻率選擇
氣體的超聲檢測(cè)技術(shù)中關(guān)鍵部件就是超聲波換能器(超聲波傳感器)，由于氣體中高頻聲能強(qiáng)烈衰減，因而要求傳感器應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)換效率，其工作頻率又不能太高。下面主要介紹通常在氣體介質(zhì)中應(yīng)用的超聲傳感器頻率選擇。
1.1振蕩頻率的產(chǎn)生
氣體中超聲頻率取決于電聲換能器的電頻率。發(fā)射超聲波的常用材料有欽酸鋇、錯(cuò)欽酸鉛等壓電材料。壓電晶體的固有頻率為
式中:n=1, 2, 3,……，為諧波的級(jí)數(shù);d為晶片厚度;E為楊氏模量;P為壓電材料的密度。
當(dāng)外加于晶體的交變電壓的頻率等于其固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波能量*大。
壓電效應(yīng)換能器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波。
1.2超聲波能f衰減與頻率的關(guān)系
超聲波穿過(guò)介質(zhì)的距離越大，能量衰減越大。若通過(guò)介質(zhì)距離一定，超聲波的頻率越大，能量衰減越大。假設(shè)超聲波進(jìn)入介質(zhì)的強(qiáng)度為Io、聲壓為Po，通過(guò)介質(zhì)后的強(qiáng)度為I、聲壓為P，則
式中:d為介質(zhì)的厚度;A為介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收系數(shù)。
式中:f為超聲波頻率;P為介質(zhì)密度;c為聲速;為介質(zhì)薪滯系數(shù);X為介質(zhì)熱導(dǎo)系數(shù);Cv為介質(zhì)定容比熱;Cp為介質(zhì)定壓比熱。
在空氣中超聲波在頻率為100kHz, 1 MHz, 5 MHz, 10MHz時(shí)對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)為0.017 dB/mm, 1.7 dB/mm, 40 dB/mm、170 dB/mm.可見(jiàn)超過(guò)1MHz時(shí)，在幾mm的動(dòng)作距離接收器就不能接收足夠的超聲波能量。
1.3頻率對(duì)指向性的影響
式中:θ為波束半擴(kuò)散角，也稱主瓣半角;λ為超聲波波長(zhǎng);D為聲源直徑。
由式(5)可見(jiàn)，超聲波頻率越高，波長(zhǎng)就越短，擴(kuò)散角就越小，指向性越好。在圖1中，生源中心軸線的聲壓越大，曲線包圍范圍內(nèi)任一點(diǎn)的聲壓要大于曲線上任一點(diǎn)的聲壓。
1.4傳感器頻率的選擇
頻率的選擇，首先要考慮在*大動(dòng)作距離內(nèi)，接收器能接收到足夠聲壓與強(qiáng)度的超聲波。探傷用超聲波傳感器的傳輸距離短，分辨率高，發(fā)出超聲波頻率較高，一般為幾MHz到幾十MHz;測(cè)距用超聲波傳感器的傳輸距離較長(zhǎng)，對(duì)分辨率的要求相對(duì)較低，所以一般情況下測(cè)距用的傳感器振蕩頻率較低，一般在40 kHz左右。氣體流量計(jì)中的聲道長(zhǎng)度大于探傷聲道，但又小于超聲測(cè)距聲道，所以這兩種超聲波傳感器都不能應(yīng)用于測(cè)量氣體流量。同時(shí)為提高計(jì)時(shí)精度，應(yīng)選擇高頻率探頭，但頻率太高將增加電路設(shè)計(jì)的困難。頻率一般根據(jù)管徑來(lái)選擇，管徑較大選擇低頻探頭，反之選擇高頻探頭，一般使用頻率范圍為100 kHz一1 MHz。
Brassier：(2001年)對(duì)氣體中的聲學(xué)干擾問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，證明氣載噪聲干擾的強(qiáng)度與流量、壓力以及選用的調(diào)壓裝置都存在一定的關(guān)系，并且*量在整個(gè)頻率段上的分布也存在差異，要基本避免超聲聲學(xué)干擾，選用的換能器工作頻率至少要在500 kHz以上。由于氣體中超聲能量的衰減與超聲頻率成正比，為了在接收端保持一定的信噪比，通常的換能器工作頻率都在50一200 kHz左右，然而在此頻段內(nèi)，聲學(xué)噪聲是無(wú)法回避的問(wèn)題。新一代超聲波流量計(jì)Q. Sonic一3，超聲頻率已經(jīng)被提高到200 kHz，信噪比得以改善。
其次要考慮超聲振動(dòng)因機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。
2超聲波傳感器材料選擇
超聲波發(fā)生器可以分為2大類(lèi):一類(lèi)使用電氣方式產(chǎn)生超聲波;一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各有不同，因而用途也各不相同。采用壓電陶瓷的壓電型以體積小、性能好、成本低的特點(diǎn)成為主流，它也是應(yīng)用*廣泛的一種。
2.1機(jī)電禍合系數(shù)x
機(jī)電禍合系數(shù)K是綜合反映材料性能的重要參數(shù)，表示壓電換能器的機(jī)械能與電能之間相互交換的性能，是判別材料好壞的主要依據(jù)，不論用以發(fā)射還是用以接收，都要求材料的系數(shù)K盡量高，所以它是設(shè)計(jì)者選擇材料的首要參數(shù)指標(biāo)。
2. 2機(jī)電品質(zhì)因數(shù)Qm
Qm是將電學(xué)中品質(zhì)因數(shù)Qe引用到機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中的物理量
式中分別為壓電振子的機(jī)械諧振頻率、等效質(zhì)量和等效機(jī)械阻抗。
2.3阻抗特性
根據(jù)換能器的等效機(jī)電六端網(wǎng)絡(luò)圖，每一端都具有一定的特性阻抗。因此，要求換能器與發(fā)射電路末級(jí)(或接收電路初級(jí))的阻抗相匹配。此外，根據(jù)超聲波的射線特性，還要求換能器與輻射聲負(fù)載(或接收聲負(fù)載)相匹配。如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電阻抗匹配和聲學(xué)阻抗匹配技術(shù)，是研制超聲波換能器必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，圖2為換能器結(jié)構(gòu)。
通常超聲傳感器所用壓電陶瓷材料有偏鈮酸鉛(PN)，鋯鈦酸鉛(PZT)和鈦酸鉛(PT) 3類(lèi)，偏鈮酸鉛材料的聲阻抗低(Z0-16 x 106 kg/m2·S)機(jī)械Q值低(Qm=11)，有利于制作高分辨率的傳感器，但厚度機(jī)電禍合系數(shù)較低(K=42%)，因而靈敏度也較低。鋯鈦酸鉛的聲阻抗高(Z0=34 x106kg/m2.s)機(jī)械Q也高(Qm=75)，機(jī)電藕合系數(shù)也高（k1=50%），介電常數(shù)也很大〔ε=1500)，因此用此材料制作的氣介傳感器分辨率也很低。*近研制成的鎢鉆鈦酸鉛材料其參數(shù)為:K1=52%，e=200, Zo二20 x 106 kg/m3.s.Qm=18，適宜制作高頻大面積傳感器。由上可知選取材料也是制作氣介超聲傳感器的關(guān)鍵。壓電晶體用于氣體超聲波流量計(jì)遇到的主要困難是特性聲阻抗失配問(wèn)題。壓電陶瓷體的特性聲阻抗Z1=11 x106——30 x106kg/m2.s，空氣的特性聲阻抗Z2=3.3x102kg/m.s，由下式:
可知，聲能透射率約為0.4x10-4通過(guò)兩個(gè)換能器，收到的超聲波能量甚微?；谶@個(gè)原因，對(duì)于厚度振動(dòng)形式傳感器常采用多層結(jié)構(gòu)匹配層來(lái)改善聲阻抗匹配，可選用一層或幾層中間材料置于壓電晶體與負(fù)載介質(zhì)之間作為禍合層，以提高傳輸增益。
通常選用適量的聚四氟乙烯細(xì)粉與環(huán)氧樹(shù)脂混合加工制成具有較低聲阻抗(約為2 x 106kg/m2·s)禍合層，取厚度為d=λ/4較為合適，將其粘在壓電傳感器的輻射面上，即可達(dá)到較好的匹配效果。
氣體介質(zhì)中聲波衰減特性是氣體超聲波流量計(jì)的另一個(gè)困難。在脈沖式超聲波測(cè)量技術(shù)中，為了保證測(cè)量精度，應(yīng)要求較高的超聲波頻率，但是因氣體本身的薪滯性，熱傳導(dǎo)等所引起的吸收效應(yīng)，使介質(zhì)吸收系數(shù)與頻率的平方成正比，因此頻率又不宜選得過(guò)高。所以選用圓板或方板厚度振動(dòng)的壓電傳感器，此傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，其耐腐蝕性好。這類(lèi)傳感器通常用于近距離報(bào)警，測(cè)位，氣體流里計(jì)等的超聲監(jiān)控設(shè)備中，其缺點(diǎn)是近場(chǎng)聲壓不均勻，作用距離不大，一般使用頻率范圍為100 kHz一1MHz.。
3環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)量的影響
3. 1空氣溫度的影響
聲波行程時(shí)間受氣溫的影響程度為0. 17%/K.也就是說(shuō)40℃時(shí)的聲速相對(duì)于20℃時(shí)改變了+3. 4%，因此測(cè)量距離也會(huì)改變約+3. 4%。但如果選用的超聲波傳感器中有溫度補(bǔ)償功能，此影響可忽略不計(jì)。
3. 2空氣濕度的影響
從干燥的空氣到飽和濕度的空氣中，聲速*多增加2% o因此測(cè)量距離改變*大也只有2%。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，空氣濕度變化不會(huì)如此大，此影響一般小于1%。
3. 3空氣壓力的影響
在一固定地點(diǎn)，正常情況下的氣壓波動(dòng)為土5%，會(huì)造成聲速波動(dòng)約士0.6%0
3. 4氣流的影響
當(dāng)風(fēng)速大于50 km/h時(shí)，聲波速度及方向的改變會(huì)大于3%。在現(xiàn)場(chǎng)使用中，.只有靠近被測(cè)物表面的幾cm的氣流有可能大于20 km/h，且垂直于測(cè)量方向，故對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略。
3. 5油霧的影響
只要防止油霧沉降在*的有效表面上，就可避免它的影響。
4結(jié)論
選擇超聲波傳感器，主要的是對(duì)超聲波傳感器頻率的選擇，文中列舉了頻率所影響到的有關(guān)的參數(shù)，從而為適宜氣體介質(zhì)傳感器的頻率范圍規(guī)定了某個(gè)選擇域。
氣介傳感器的材料也是影響傳感器靈敏度等參數(shù)的一個(gè)重要方面，文中列舉了材料選擇對(duì)特性阻抗、聲波衰減的影響，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)備的目的。
以氣體為介質(zhì)的超聲技術(shù)，作為檢測(cè)和控制的一種手段，具有簡(jiǎn)單可靠，抗*力強(qiáng)，適用范圍廣等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中的許多場(chǎng)合中應(yīng)用，往往比光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)更為適用。隨著對(duì)超聲波在空氣中傳播特性的研究和了解及小型高靈敏度超聲發(fā)送和接收技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)在氣體中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
