基于超聲波測(cè)量流量的傳感器6

1、基于超聲波傳感器的流量測(cè)量摘要：超聲波是一種頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為、能夠成為射線(xiàn)而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。本文就是在超聲波的物理性質(zhì)和壓電式傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)。其中運(yùn)用的超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種是利用超聲波的物理性質(zhì)把一些非電量（如位移，速度等）轉(zhuǎn)換成聲學(xué)參數(shù)（如聲速，聲阻抗，聲衰減等），而這些聲學(xué)參數(shù)又可以利用某些傳感元件（如壓電元件等）轉(zhuǎn)換成為電參數(shù)的非電量電測(cè)技術(shù)。所以超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成

2、的傳感器。而文中的超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲波信號(hào)的影響來(lái)測(cè)量流體流量的儀表。關(guān)鍵詞：超聲波 物理性質(zhì) 壓電式傳感器 流量目 錄引言1、 超聲波的產(chǎn)生與傳播及其物理性質(zhì)1.1、什么是超聲波1.2、超聲波的傳播1.3、超聲波的物理性質(zhì)二、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)和原理 三、超聲波測(cè)量參數(shù)的方法四、超聲波流量計(jì)的工作原理五、誤差分析六、結(jié)論與收獲參考文獻(xiàn)引言：本文首先介紹的是超聲波的產(chǎn)生與傳播及其原理，包括什么是超聲波和超聲波的傳播特點(diǎn)，然后講述了超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)與原理及其應(yīng)用，包括壓電效應(yīng)，超聲波直式換能器，超聲波檢測(cè)原理等。一、超聲波的產(chǎn)生與傳播及其物理性質(zhì)1.1 什么是超聲波所謂超聲

3、波，是指人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲波。正常人的聽(tīng)覺(jué)可以聽(tīng)到20Hz20000Hz的聲波，低于20Hz聲波稱(chēng)為次聲波或亞聲波，超過(guò)20000Hz的聲波稱(chēng)為超聲波。超聲波是聲波大家族中的一員，它和可聞聲波在本質(zhì)上是一樣的，他們都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的形式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量和動(dòng)量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，在一定的距離內(nèi)沿直線(xiàn)傳播具有更良好的束射性和方向性。1.2 超聲波的傳播由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也不相同。超聲波有如下三種波形：縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱(chēng)為縱波。它在固體、液體和氣體中傳播。橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于傳播方

4、向的波稱(chēng)為橫波。它只能在固體中傳播。表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的，稱(chēng)為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形，質(zhì)點(diǎn)位移的長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，質(zhì)點(diǎn)位移的短軸平行于傳播方向。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?.3 超聲波的物理性質(zhì)超聲波的反射與折射：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，會(huì)發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律-入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波速與反射波速之比；入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波速與折射波速之比。2、 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)和原理2.1 超聲波換能器（超聲波傳感器）在超聲波檢測(cè)技術(shù)中，

5、主要是利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)。不管是哪一種超聲波儀器，都必須把超聲波發(fā)射出去，然后再接收回來(lái)，變換成電信號(hào)，完成這一部分工作的裝置，就是超聲波傳感器，但是在習(xí)慣上，把這個(gè)發(fā)射部分和接收部分均稱(chēng)為超聲波換能器，有時(shí)也稱(chēng)為超聲波探頭。超聲波換能器在檢測(cè)技術(shù)中所采用的工作原理是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，作為發(fā)射超聲波的換能器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)（電致伸縮壓電效應(yīng)），而接收用的換能器則是利用其壓電效應(yīng)。在實(shí)際使用中，由于壓電效應(yīng)的可逆性，有時(shí)將換能器作為“發(fā)射”與“接收”兼用，亦即將交流脈沖電壓加在壓電元件上，使其向介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時(shí)又利用它作為接收從介質(zhì)中反射回來(lái)的超聲波，并將反射波

6、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到后面的放大器。因此壓電超聲波換能器實(shí)質(zhì)上是壓電式傳感器。2.2 壓電式傳感器：壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。2.3 壓電效應(yīng)：某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一特定方向?qū)ζ涫┝Χ顾l(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上產(chǎn)生符號(hào)相反的等量電荷；當(dāng)外力取消后，電荷也隨之消失，晶體又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)（piezoelectric-effect),如圖1所示。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)（電壓）作用時(shí)，這些電介質(zhì)晶

7、體會(huì)在一特定的晶體軸方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)消失時(shí)，這些變形或壓力也隨之消失，此種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)電致伸縮現(xiàn)象。因此，壓電效應(yīng)具有“雙向性”的特點(diǎn)，壓電元件可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能間的雙向轉(zhuǎn)換，如圖2所示。2.4 在壓電式超聲換能器中，常用的壓電材料有石英(SiO2)，鈦酸鋇(BaTiO3)，鋯鈦酸鉛（PZT），偏鈮酸鉛(PbNb2O6)等。換能器由于其結(jié)構(gòu)不同，可以分為直探頭式、斜探頭式、雙探頭式等各種。本文采用的是直探頭式即直式換能器直式探頭換能器可以發(fā)射和接收縱波。它主要由壓電元件、阻尼塊（吸收塊）及保護(hù)膜組成，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。壓電片1是換能器中的主要元件，

8、大多做成圓板形。壓電片的厚度與超聲波頻率成反比。例如，鋯鈦酸鉛的頻率厚度常數(shù)為1890kHz/mm，壓電片厚度為1mm時(shí)固有振動(dòng)頻率為1.89MHz。壓電片的直徑和擴(kuò)散角成反比。壓電片的兩面敷有銀層，作為導(dǎo)電的極板，壓電片的底面接地線(xiàn)，上面接導(dǎo)線(xiàn)引至電路中。為了避免壓電片與被測(cè)體直接接觸而磨損壓電片，在壓電片下粘合一層保護(hù)膜2,保護(hù)膜有軟性保護(hù)膜和硬性保護(hù)膜兩種。軟性的可用薄塑料膜（厚約0.3mm），它與表面粗糙的工件接觸較好。硬性的可用不銹鋼片或者陶瓷片，保護(hù)膜的厚度為二分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)（在保護(hù)膜中的波長(zhǎng)），聲波穿透率最大；厚度為四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，穿透率最小。保護(hù)膜材料性質(zhì)要注意聲

9、阻抗的匹配，設(shè)保護(hù)膜的聲阻抗為Z，晶體的聲阻抗為，被測(cè)工件的聲阻抗為,則最佳條件為：。壓電片與保護(hù)膜粘合后，諧振頻率將降低。阻尼塊又稱(chēng)吸收塊(圖3中的零件3)，其作用為降低壓電片的機(jī)械品質(zhì)因素Qm,吸收聲能量。如果沒(méi)有阻尼塊，電振蕩脈沖停止時(shí)，壓電片因慣性作用，仍繼續(xù)振動(dòng)，加長(zhǎng)了超聲波的脈沖寬度，是盲區(qū)擴(kuò)大，分辨率差。當(dāng)吸收塊的聲阻抗等于晶體的聲阻抗時(shí)，效果最佳 。2.5 超聲波傳感器的參數(shù)包括：（1） 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也高。（2） 熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性指超聲波換能器的性能隨溫度變化的特性。該參數(shù)

10、決定了超聲換能器的熱穩(wěn)定性，該參數(shù)越小越好。（3） 靈敏度。接收和發(fā)射換能器的靈敏度是有內(nèi)部晶片的機(jī)電偶合系數(shù)所決定，靈敏度隨機(jī)電耦合系數(shù)的增大而增大，該參數(shù)對(duì)超聲換能器的穩(wěn)定性很有意義。四、超聲波測(cè)量參數(shù)（聲速）的方法-傳播時(shí)間法 這種方法的原理方框圖如圖4所示。 主控振蕩器每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，發(fā)射電路就使換能器發(fā)射一種超聲脈沖，同時(shí)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2被觸發(fā)。反射回來(lái)的超聲脈沖再次觸發(fā)觸發(fā)器2，它的兩次觸發(fā)給出一門(mén)控方波信號(hào)，其寬度與超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，由于超聲波在流體中傳播時(shí)，當(dāng)流體的流速增加時(shí)，順流方向的超聲波傳播速度將減小，所以對(duì)同一固定傳播距離（兩換能器之間的距離）

11、在順逆流時(shí)有不同的傳播時(shí)間。因此，傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)就是利用順逆流傳播時(shí)間的差值與流速有一定關(guān)系而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的測(cè)量。四、超聲波流量計(jì)的工作原理利用超聲波檢測(cè)技術(shù)測(cè)量流量的超聲流量計(jì)的工作原理，可分為兩種，一種是測(cè)量在順流和逆流方向傳遞超聲波的時(shí)間差；另一種是測(cè)量順流或逆流時(shí)傳遞超聲波時(shí)重復(fù)頻率的頻率差。下面介紹采用頻率差法獲得的超聲波流量計(jì)的工作原理，如圖5所示。發(fā)射換能器K1和K3把超聲波發(fā)射出去，其中K1發(fā)射的超聲波和液流同向，另一個(gè)K3發(fā)射的和液流逆向；他們發(fā)射出的超聲波分別由接受換能器K2和K4接收回來(lái)。平均速度為v的流量在沿超聲波傳播方向的平均速度為 (1)如果兩個(gè)換能器的距離為L(zhǎng)

12、，則換能器K1、K2和K3、K4間超聲波的傳播時(shí)間t1、t2分別為 (2)圖中調(diào)制器以觸發(fā)器方式工作。發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)超聲波同時(shí)，調(diào)制器閉塞；待接收換能器收到超聲脈沖以后，調(diào)制器才重新開(kāi)啟，使電震蕩信號(hào)再次進(jìn)入發(fā)射換能器，這樣就形成了一系列受超聲波調(diào)制的周期性高頻信號(hào)。它的重發(fā)周期分別為T(mén)1=t1，T2=t2它們的頻率f1和f2分別為 (3)兩頻率的差值為 (4)式中，在結(jié)構(gòu)一定時(shí)為常數(shù)。上式表示直接與液流的平均速度有關(guān)。它與聲速c無(wú)關(guān)，因而其它參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響也就消除了。由上面的式子，經(jīng)整理可得 (5)它表明也可以從時(shí)間t1和t2求得平均速流v。超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲波

13、信號(hào)的影響來(lái)測(cè)量流體流量的儀表，可做非接觸測(cè)量，安裝時(shí)無(wú)需截?cái)嗔黧w。超聲波流量計(jì)為無(wú)流動(dòng)阻擾測(cè)量，無(wú)額外的壓力損失。超聲波流量計(jì)測(cè)得的流量是通過(guò)測(cè)量聲束的傳播時(shí)間，以及從實(shí)際測(cè)量的管道和聲道等幾何尺寸計(jì)算求得的儀表系數(shù)，最終計(jì)算出來(lái)的屬于間接測(cè)量。因此，采用的測(cè)量方法準(zhǔn)確程度決定了整個(gè)測(cè)量精度的高低。超聲波流量計(jì)適合于測(cè)量幾乎所有導(dǎo)電或非導(dǎo)電液體的流量。主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：水處理工廠(chǎng)原水輸入量，廢水處理，發(fā)電和公共事業(yè)，石油和天然氣工業(yè)，石化工業(yè)，灌溉系統(tǒng)，工廠(chǎng)或電廠(chǎng)中的冷卻水，工廠(chǎng)中的非導(dǎo)電液體。五、誤差分析1、由于超聲波會(huì)受到被測(cè)物體不平整、反射角度、環(huán)境風(fēng)速溫度以及多次反射的影響，可能會(huì)帶來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差增大。2、由于超聲波有測(cè)量盲區(qū)的固有特性，因此，如果近距離測(cè)量時(shí)，當(dāng)測(cè)量位置發(fā)生變化而接收到的數(shù)據(jù)不變時(shí)，說(shuō)明進(jìn)入了測(cè)量盲區(qū)。六、結(jié)論與收獲 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了對(duì)傳感器這門(mén)課的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練，但是我