污水管道非接觸流量測量裝置設(shè)計

1、摘 要超聲波流量計(UFM, Ultrasonic Flow Meter)通過測量管路中順流和逆流方向的超聲波傳播時間變化計算流速,因此超聲波傳播時間的準確測量對流量計的精度影響至關(guān)重要.對超聲波流量計的測量方法進行研究,從氣體的充盈度、時間測量的準確性、不確定度的計算三個方面,對比超聲波傳播時間差法和頻率差法對流量測量精度的影響.通過超聲波流量測量實驗,驗證了在流量計未校準的情況下,與頻率差法相比,時間差法的測量精度更高,且其校準系數(shù)曲線的線性度更好,校準后可在全流量范圍內(nèi)獲得更高的測量精度。關(guān) 鍵 詞：超聲波流量計；流量測量；時間差法；頻率差A(yù)bstract Ultrasonic flow

2、 meter (UFM) calculates the flow rate, by measuring the difference of ultrasound transit time between the upstream direction and downstream direction. For the purpose of accurate flow measurement, transit time difference method and frequency difference method are compared from three aspects:change o

3、f environment temperature, accuracy of time measurement, and uncertainty calculation. Ultrasonic flow measurement experiment shows, when the flow meter is not calibrated, compared with frequency difference method, transit time difference method can achieve better accuracy. And the calibrated factor

4、for the transit time difference method is more linear, so better accuracy is achieved for full flow range measurement.Key words: ultrasonic flow meter；flow measurement time；difference method ； frequency difference method目 錄1 引言.11.1 超聲波流量計的發(fā)展.11.1.1 流量計的發(fā)展史11.1.2 超聲波流量計的發(fā)展21.2 超聲波技術(shù)概述.31.3 超聲波測量裝置的原

5、理.31.3.1 時差法測液體流量31.3.2 非接觸式流量計.41.3.3 換能器的安裝以及夾具的設(shè)計52 超聲波.62.1 超聲波概念以及性質(zhì).62.2 超聲波的產(chǎn)生.62.3 超聲波的特性.72.3.1 超聲波的傳播速度72.3.2 超聲波的衰減72.4 超聲波的作用.83 非接觸流量測量裝置原理.93.1 流量的基本概念.93.2 分析超聲波反射對管道內(nèi)部液體流量測量的基本原理.93.3 聲學(xué)原理.113.4 測時原理.123.5 原理圖.174 超聲波換能器184.1 超聲波換能器的概念.184.2 超聲波換能器的種類.194.2.1 工作頻率.204.2.2 機電耦合系數(shù).204.

6、2.3 換能器的頻率特性.205 電路設(shè)計225.1 超聲波換能器.225.2 超聲波發(fā)射電路.225.3 超聲波接收電路.225.4 方向切換電路.235.5 D/A電壓調(diào)節(jié).245.5.1 組成.245.5.2 作用.245.6 對微小時間的測量.265.7 顯示器采用LED顯示276 提高測量超聲波傳播時間精度的方法276.1 閥值法.296.2 設(shè)置接收窗口.306.3 PLL鎖相回路法.306.4 自動增益控制.316.5 雙觸發(fā)回路.317 小結(jié)33參考文獻 34致謝.361 引言1.1 超聲波流量計的發(fā)展 流量計的發(fā)展史 自古以來測量都是人類文明的一種標志，是計量科學(xué)技術(shù)的組成部

7、分之一，它廣泛存在于水利，化工，農(nóng)業(yè)，石油，冶金以及人民生活各個領(lǐng)域之中，一直得到世界各國政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強。早在公元前1000年埃及人就開始利用堰法測量尼羅河的流量來預(yù)報年成的好壞，古羅馬人則在修渠飲水中采用孔板測量流量。1738年，瑞士人丹尼爾·伯努利以伯努利方程為依據(jù)，利用差壓法測量水流量；后來意大利人文丘里研究用文丘里管測量流量，并于1791年發(fā)表了研究成果；1886年，美國人赫謝爾用文丘里管制成測量水流量的使用裝置1；19111912年，美籍匈牙利人卡門提出卡門渦街的新理論；30年代，又出現(xiàn)了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)

8、為止未獲很大進展。 第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國際經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，流量計量日益受到重視，流量儀表隨之迅速發(fā)展起來，測量儀表開始向精密化、小型化等方向發(fā)展。 目前國外投入使用的流量計有100多種，國內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近50種。隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化，管道化的發(fā)展，流量儀表在整個儀表生產(chǎn)中所占比重越來越大2。據(jù)國內(nèi)外資料表明，在不同的工業(yè)部門中所使用的流量儀表占整個儀表總數(shù)的15-30。 但是，由于流量測量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向流量計量提出更新更高的要求，流量計量的現(xiàn)況遠不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計測量技術(shù)問題有待進一步研究解決。目前主要存在如下問題：流量儀表的品種、規(guī)格

9、、準確度和可靠性尚不能滿足生產(chǎn)要求，特別對腐蝕性流體、臟污流體、高粘、性流體、多相流體、特大流量、微小流量等3，有待發(fā)展有效的測量手段。我國開展近代流量測量的技術(shù)比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口，直到20世紀30年代中期才出現(xiàn)光華精密機械廠所制造的家用水表，五十年代初有了新城儀表廠所開發(fā)的文丘里管差壓流量計，60年代渦輪、電磁流量計的生產(chǎn)。至今，我國已經(jīng)形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術(shù)與儀表研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過230家。目前我國的流量裝置方面。與國際水平仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)品的品種、規(guī)格、精確度和可靠性尚不能滿足國內(nèi)市場的需求，一些新型的流量計，如渦輪流量

10、計、旋進漩渦流量計、射流流量計等的技術(shù)水平與國際先進水平有較大的差距，需要有較充足的經(jīng)費支持并通過艱苦的努力，才有可能達到國際先進水平。 超聲波流量計的發(fā)展超聲波流量計（簡稱USF）是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)、精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認為是較好的大管徑流量測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。 1931年，O.Rutten發(fā)表的德國專利是關(guān)于利用聲波測量管道流體流量最早的參考文獻。但是要使超聲波流量計具有一定的精度，要求對時間的測量精度至少達到107秒，這在當時是很

11、難達到的；50年代初，美國科研人員首次提出了“鳴環(huán)”法，就是通過多次循環(huán)將時差擴大在進行測量，這種方法彌補了當時電子技術(shù)的不足，使得時間測量精度得以大大提高4。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法MAXSON流量計在美國研制成功，并用于航空燃料油流量的測量，標志著超聲波流量計已經(jīng)由理論研究階段進入工業(yè)應(yīng)用階段，但由于電子線路太復(fù)雜而未得到推廣。60年代末又出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的超聲波流量計。 進入20世紀的70年代以后，由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使得高精度的時間測量成為可能，再加上高性能、工作穩(wěn)定的鎖相技術(shù)(PLL)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為超聲波流量計的可靠性提供了基本的保證，同時為了消除聲速變化對測量精度的影響，

12、出現(xiàn)了頻差法超聲波流量計，這種流量計聲速受溫度變化的影響遠小于時差法，靈敏度和測量范圍也優(yōu)于時差法，因而這種方法成為測量大管徑大流量超聲流量計的主要方案，但是仍無法保障小管徑小流量測量時的精度。同一時期，前蘇聯(lián)科技工作者對管道內(nèi)流體的流速分布規(guī)律作了大量深入研究，指出管道內(nèi)流體流動存在兩種狀態(tài)：層流和紊流，并給出了層流狀態(tài)下的理論計算公式，為超聲波流量計進一步提高測量精度打下了堅實的理論基礎(chǔ)。至此，超聲波流量計的研究和應(yīng)用才蓬勃發(fā)展起來，超聲流量計的種類也越來越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法。 當今全世界50多家較大的超聲波流量計生產(chǎn)商都集中于歐美日等國家，這些國家己經(jīng)在超聲波流量計

13、的研制、生產(chǎn)和推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗，再加上它們本身所具有的在電子技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢，使得它們在國際超聲波流量計市場上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導(dǎo)著超聲流量測量技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢。 我國超聲波流量計的研究起步較晚，目前我國超聲波流量計的研究和生產(chǎn)仍比較落后的，盡管近年來隨著國外各大超聲波流量計生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進入我國的市場，也帶動了國內(nèi)超聲流量測量研究的發(fā)展，但是從總體上說，我們現(xiàn)有的技術(shù)還和國際先進水平有較大差距，在國內(nèi)市場中5，高精度的超聲波流量計還是國外品牌的天下，形成了低檔產(chǎn)品過剩、高檔產(chǎn)品依賴進口的局面。近十幾年, 國際上已興起利用超聲波測量流量及液位的儀表，取得了十分

14、理想的效果。眾所周知, 超聲波具有發(fā)射能量大、方向性強的特點。超聲波測量裝置的基本原理是向管道發(fā)射超聲波脈沖。該脈沖以順流和逆流方式通過流體時，因流速不同，即會產(chǎn)生時間差，測得此時差，就可檢出流體的流速，求得流量； 這一方法稱為時差法。根據(jù)多普勒原理，超聲波脈沖在順流和逆流通過流體時，其頻率也會發(fā)生變化，測量此頻差也可檢出流體的流速；求得流量, 這一方法稱為頻差法。1.2 超聲波技術(shù)概述 由于超聲波傳播時，其聲速、衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性與狀態(tài)有關(guān)，不同性質(zhì)的媒質(zhì)不但影響超聲波的穿透深度，也影響接收波的強度。因此，要準確地檢測到超聲信號并非易事，在投入設(shè)計前要對超聲波及相關(guān)的知識進行介紹6。

15、1.3 超聲波測量裝置的原理 時差法測液體流量超聲波測量裝置的原理是超聲波在流體中傳播時，其傳播速度會受流體流速影響而變化，因此可以通過測量穿過流體的超聲波信號來計算流體的流速。據(jù)此，所采用的測量方法主要有傳播時間差法、頻率差法、相關(guān)法、多普勒效應(yīng)法等其中傳播時間差法和頻率差法只需要獲知超聲波的傳播時間(或頻率)，電路實現(xiàn)和測量計算相對容易，故在超聲波流量計中使用較為廣泛。 時差法超聲波流量計就是利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。其基本原理如圖1.1所示。超聲換能器A

16、、B是一對可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的換能器，其安裝方式采用管外夾裝式。 設(shè)超聲波信號在被測流體中的聲速為C，超聲波順流時從A到B的時間為t1，逆流時從B到A的時間是t2，由于換能器布置在管外，超聲波在換能器和管壁中傳播需圖1.1 時差法工作原理圖要時間，而且電路也有延遲，這三種傳播時間總稱為延遲時間，遠小于超聲波在流體中的傳播時間，則有：=+ （11）=+ （12）= （13） 在一般工業(yè)測量過中，超射波在液體中傳播速度（水中約為1450m/s）比液體的流速大得多，即C2v2sin2，所以順逆流時間差t=t2-t1可化簡為：非接觸式流量計在非接觸式流量計中, 管外夾裝式超聲波流量計是比較成熟的

17、一種, 已經(jīng)推向市場7。它將檢測元件置于管壁外而不與被測流體直接接觸, 不破壞流體的流場，沒有壓力損失；儀表的安裝、檢修均不影響管路系統(tǒng)及設(shè)備的正常運行，測量精度幾乎不受被測流體的溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響。只要能傳播超聲波的流體皆可用此法來測流速和流量，尤其適于測量腐蝕性液體、高粘度液體、非導(dǎo)電性液體或氣體的流量。采用多聲道方式時，可以縮短要求的直管段長度而仍能保證較高的測量精度。特別是超聲波法可以從厚的金屬管道外側(cè)測量管內(nèi)流動液體的流速，無需對原有管子進行任何加工。所有這些優(yōu)點都是接觸式流量計所不具備的， 因而非接觸式管道流量測量技術(shù)是一種很有發(fā)展前途的管道流量測量方法，值得我國石

18、油部門加以借鑒與采用。換能器的安裝選擇V型結(jié)構(gòu)，如圖1.2所示，V型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴大聲程，是現(xiàn)在國際流行的兩個換能器安裝在同一側(cè)的設(shè)計，而且我可以通過制作一個伸縮的夾具控制兩個換能器的直線距離，通過多次不同間距采樣測量，算取平均值，把誤差降低到10以下，增加該系統(tǒng)測量的準確度。所以我們的換能器將采用單通道V字型安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，單通道形式可以消除由雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一些附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中反射引起的對測量的

19、干擾。 圖1.2 換能器的安裝2 超聲波2.1 超聲波概念以及性質(zhì)超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用8。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。2.2 超聲波的產(chǎn)生 聲波是物體機械振動狀態(tài)(或能量)的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動次數(shù)(頻率)甚高，超出了人耳聽

20、覺的一般上限(20000Hz)，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高9，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在25MHz之間，常用為33.5MHz（每秒振動1次為1Hz，1MHz=106Hz,即每秒振動100萬次，可聞波的頻率在1620,000HZ之間）。 超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，

21、超聲波具有許多奇異特性：傳播特性超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，該特性就越顯著。功率特性當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的?？栈饔卯敵暡ㄔ诮橘|(zhì)的傳播過程中，存在一個正負壓強的交變周期，在正壓相位時，超聲波對介質(zhì)分子擠壓，改變介質(zhì)原來的密度，使其增大；在負壓相位時，使介質(zhì)分子稀疏，進一步離散，介質(zhì)的密度減小，當

22、用只夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時，介質(zhì)分子間的平均距離會超過使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離，液體介質(zhì)就會發(fā)生斷裂，形成微泡。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強10。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。 頻率高于2×10KHz的聲波。研究超聲波的產(chǎn)生、傳播、接收，以及各種超聲效應(yīng)和應(yīng)用的聲學(xué)分支叫超聲學(xué)。產(chǎn)生超聲波的裝置有機械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、

23、汽笛和液哨等）、利用電磁感應(yīng)和電磁作用原理制成的電動超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)制成的電聲換能器等。2.3 超聲波的特性超聲波通常指頻率高于20KHz的機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。因為本課題主要是研究針對供水行業(yè)的超聲波流量計，所以我們只以水為介質(zhì)進行分析。 超聲波的傳播速度 超聲波在水中的傳播速度不但與溫度有關(guān)，還受水深h和水中還鹽量s的影響，圖2.1為水中聲速與溫度T的關(guān)系曲線。當 0T35，0S45，0h1000m時，水中聲速可用下式計算：圖2.1 水中溫度和深度的關(guān)系曲線 超聲波的衰減超聲波在媒質(zhì)中傳播時，其振幅將隨傳播距離的增大而減小

24、，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。造成衰減的主要原因是因為一方面，超聲波在傳播過程中，在液體分子、固體顆粒、懸浮物和氣泡的作用下，有一部分聲能會不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對超聲波來說就是有一部分能量被吸收了11，通常認為流體的聲吸收衰減系數(shù)是與頻率的平方成正比的；另一方面，超聲波在媒質(zhì)中傳播時，如果媒質(zhì)中含有大量的散射粒子(如流體媒質(zhì)中的懸浮粒子、液體中的小氣泡、固體媒質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)缺陷、摻雜物等)，則一部分超聲波將被散射開來，不再沿原來方向前進，僅有余下的一部分是沿原方向繼續(xù)前進的，這樣就形成了散射衰減，而固體顆粒、懸浮物等散射物質(zhì)本身又成為聲源，又會向所有方向輻射聲能，超聲工業(yè)測量

25、技術(shù)中最常遇到的散射衰減情況是由大量的尺寸遠小于波長的散射粒子所引起的，通?？烧J為散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比。因此，超聲波在水中傳播時會不斷衰減，甚至?xí)辉肼曆蜎]。在設(shè)計過程中必須充分考慮以上兩大因素，采取相應(yīng)的措施確保超聲波流量計的實現(xiàn)。2.4 超聲波的作用利用聲波反射、衍射、多普勒效應(yīng)，制造超聲波物位計、超聲波液位計、超聲波流量計等。3 非接觸流量測量裝置原理3.1 流量的基本概念，3.2 分析超聲波反射對管道內(nèi)部液體流量測量的基本原理 本設(shè)計我主要采用時差法測量管道內(nèi)部液體的流量，時差法其工作原理如圖3.1所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波12，通過觀測超聲

26、波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，在通過流速來計算流量的一種間接測量方法。超聲波在流動的流體中傳播時就載上的流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。圖3.1 時差法超聲波流量測量原理示意圖圖3.1中有兩個超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為D(5-8英寸)13，超聲波行走的路徑長度為L，超聲波順流速度為tu，逆流速度為td；超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為。由于流體流動的原因，是超聲波順流傳播L長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差可用下式表示： （3

27、3） （34）其中：c是超聲波在非流動介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動速度（不大于1M/S），tu和td之間的差為 （35） 式中X是兩個換能器在管線方向上的間距。為了簡化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個小量。即： （36） （37）也就是流體的流速為： （38） 由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。流量Q可以表示為： (39)3.5 原理圖 圖3.5是我們設(shè)計的超聲波流量計的原理框圖。圖中主要有兩個超聲波發(fā)射單元、一個時間測量單元和一個控制器14。他們共同來完成超聲波的發(fā)射、接受和時間差的測量等工作。其他的外圍單元主要是為了測量儀表的參數(shù)設(shè)定、測量數(shù)

28、據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關(guān)資料，這里不作介紹。圖3.5 超聲波流量計的電原理框圖4 超聲波換能器4.1 超聲波換能器的概念 超聲波的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計中的重要組成部分。通常所說的超聲換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換為機械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個電的儲能元件和一個機械振動系統(tǒng)15。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計并制成了許

29、多類型的超聲波發(fā)生器，目前使用較多的是壓電型超聲波發(fā)生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體(PZT)、PVDF等。 壓電型超聲波換能器是借助壓電晶體的諧振來工作的，即晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖4.1所示：圖4.1 超聲波換能器結(jié)構(gòu)原理圖超聲波換能器是一個超聲頻電子振蕩器，當把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到 超聲換能器的壓電晶體上時，壓電晶體組件就在電場作用下產(chǎn)生縱運動。壓電組件振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，約為(110)m，但這種振動的加速度很大，約(10103)g，這樣就可以把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為機械振動量，若這種能

30、量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。當在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動諧振子振動，并推動周圍介質(zhì)振動，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，由逆壓電效應(yīng)，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號16，此時的傳感器就成了超聲波接收器。 通常壓電型超聲波換能器可以等效地看作一個電壓源和一個電容器的串聯(lián)電 路，如圖4.2(a)所示，也可以等效為一個電流源和一個電容器地并聯(lián)電路，如圖4.2(b)所示。 如果用導(dǎo)線將壓電換能器和測量儀器連接時，則應(yīng)考慮連接導(dǎo)線地等效電容、等效電阻、前置放大器地輸入電阻、輸入電容。圖4.3是壓電換能器的完整

31、等效電路(電流等效電路圖)。 圖4.2 壓電超聲換能器等效電路圖 圖4.3 壓電換能器的完整等效電路Ca換能器的電容 Ci前置放大器輸入電容Cc連接導(dǎo)線對地電容 Ri前置放大器的輸入電阻Ra包括連接導(dǎo)線在內(nèi)的換能器絕緣電阻由等效電路來看，壓電換能器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)，為保證換能器和測試系統(tǒng)有一定的低頻響應(yīng)，就要求壓電換能器的絕緣電阻應(yīng)保持在1013以上，這樣才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求；與此相適應(yīng)，測試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則換能器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。4.2 超聲波換能器的種類 超聲

32、換能器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭等17。根據(jù)壓電晶片的大小，如直徑和厚度的不同，每個探頭的性能是不同的，其主要性能指標包括： 工作頻率大多工作頻率選在換能器的機械共振頻率（即壓電晶片的共振頻率）附近。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 機電耦合系數(shù) 超聲波換能器的機械能和電磁能相互轉(zhuǎn)換過程，就是機電耦合過程。最早給出定義的梅森將機電耦合系數(shù)定義為 但是，定義機電耦合系數(shù)的公式很多而且各部協(xié)調(diào)。此外，壓電元件的機械能與它的形狀和振動方式有關(guān)。因此不同形狀和振動方式所對應(yīng)

33、的機電耦合系數(shù)也不同。機電耦合系數(shù)為無量綱單位。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。換能器的機械品質(zhì)因數(shù)Qm：Qm是從電學(xué)中應(yīng)用到機械振動系統(tǒng)中來的一個重要物理量，它與標稱寬帶f=2密切相關(guān)，即與換能器的機電耦合的系數(shù)密切相關(guān)18，而且與所在介質(zhì)的輻射阻抗、換能器結(jié)構(gòu)、材料及損耗密切相關(guān)。例如，同一只壓電換能器，在水中的Qm30，在空氣中Qm200。 換能器的阻抗特性：根據(jù)換能器的等效機電六端網(wǎng)絡(luò)圖，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面換能器與發(fā)射電路（或接收電路）末級電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負載（或接收聲負載）匹配。 換能器的方向特性：一個發(fā)射或接收聲波換能器，其尺寸

34、和所在介質(zhì)中的 聲波波長可相比擬時，它發(fā)射聲能是集中在某些方向上的，即具有一定的擴散角。 式中，為超聲波波長，D為換能器直徑，所以頻率越高，擴散角越小。但是，超聲波在傳播過程中，散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)分別與頻率的4次方和2次方成正比，因此超聲波的頻率不能太高。 換能器的頻率特性 所謂頻率特性就是換能器的主要參數(shù)，如功率、聲壓、阻抗和靈敏度等隨頻率變化的特性。在接收換能器中寬頻帶可獲得窄脈沖、短余振時間波形，獲得極高的縱向分辨率。為了提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時，為了保證聲能損失小、方向性強，必須把壓電材料封裝在聲楔中

35、，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機玻璃制成。在一般工業(yè)領(lǐng)域，通常接收和發(fā)射的傳感器使用完全相同的材料19，做成完全一樣的結(jié)構(gòu)，可以互換使用或進行雙向收發(fā)，這樣不僅可以降低成本，而且在一定程度上減小了測量誤差。5 電路設(shè)計5.1 超聲波換能器超聲的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。超生換能器，也即超聲傳感器，是超聲流量計中的重要組成部分。通常所說的超生換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件和裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為聲能；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為電能。

36、5.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路的主要目的是驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播4較遠的距離，實現(xiàn)測量的目的。驅(qū)動超聲發(fā)射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。本設(shè)計中采用的是由單片機發(fā)出的方波，單片機P3.7輸出方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極。另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)。用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R1、R2一方

37、面可以提高反向器74HC04AN輸出高電平的驅(qū)動能力。另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時間，下圖為超聲波發(fā)射部分電路圖。圖5.1 超聲波發(fā)射電路5.3 超聲波接收電路超聲波接收器包括超聲波接收探頭、CX20106A處理兩部分20。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，經(jīng)CX20106A處理后產(chǎn)生負跳變，引起單片機的外部中斷，下圖為超聲波接收部分電路圖。圖5.2 超聲波接收電路5.4 方向切換電路通過555繼電器切換傳感器方向，進行順逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣既

38、降低了成本，又消除了非對稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過通過使用7單獨的繼電器分別對發(fā)射和接收換能器進行控制，是換能器發(fā)射和接收電路完全隔離，消除了發(fā)射信號對接收的影響，下圖為方向切換電路部分電路圖。圖5.3 方向切換電路5.5 D/A電壓調(diào)節(jié)超聲波信號處理包括放大電路、濾波電路、二值化電路。放大器采用高頻、可電壓調(diào)整增益運算放大器AD603，如圖5.4所示。濾波電路采用高Q 值濾波器，提高了信噪比，如圖5.5所示。二值化電路采用高速比較器LM339，如圖5.6所示。通過放大以后的超聲波回波信號經(jīng)過濾波，進入二值化電路，產(chǎn)生回波脈沖信號，送入單片機中，進行時間測量的控制。圖5.4 可編程增益放大器

39、圖5.5 低通濾波器圖5.6 二值化電路5.6 對微小時間的測量為了達到較高的分辨率和較短的采樣時間的目的，通過單脈沖所需的時間來實現(xiàn)。該接口電路采用的是8052單片機實現(xiàn)對周期信號的測量。采用8052內(nèi)部兩個16位寄存器（定時器0和定時器1），定時器1為計內(nèi)部機器周期，定時器0為計通過的脈沖數(shù)。通過圖5.7電路可以保證單位計數(shù)脈沖的完整性。(1)通過P1.6，P1.7把Rs觸發(fā)器的輸出腳置1，D觸發(fā)器只有在CP的上升沿才變化，置Q為1 ；（2）這時內(nèi)部定時器的INT1=1，定時器1開始計內(nèi)部機器周期數(shù)，同時內(nèi)部定時器0開始輸入脈沖數(shù)（T0發(fā)生由1到0的跳變，計數(shù)器加1）；（3）當輸入脈沖計數(shù)

40、到后，通過P1.6，P1.7置1，使Rs觸發(fā)器輸出為0，僅在CP上升沿才使D觸發(fā)器輸出Q由1變?yōu)?，這時定時器1停止計內(nèi)部機器數(shù)，定時器0也停止計外部脈沖數(shù)，這樣不僅僅保證計數(shù)脈沖完整，而且也是計的單位完整脈沖期間的機器周期12。圖5.7 微小時間的測量電路5.7 顯示器采用LED顯示超聲波測流量系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進制數(shù)字顯示。只需能顯示0-9的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即LED。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的g-a七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽極接法中，剛好與

41、共陰極接法向反。LED數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設(shè)計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示液位變化。在此選用的是共陰極接法。本設(shè)計采用單片機直接驅(qū)動LED的方法，通過軟件的編譯來實現(xiàn)由二進制到BCD碼的轉(zhuǎn)化，從而簡化了顯示電路。但是，在制作超聲波測距系統(tǒng)的過程中，我發(fā)現(xiàn)由單片機直接驅(qū)動LED顯示，電流較小，LED雖然有顯示但是比較暗，因此我用了三極管來對電流進行放大，解決了這個問題。圖5.8 整體電路圖6 提高測量超聲波傳播時間精度的方法6.1 閥值法6.2 設(shè)置接收窗口6.3 PLL鎖相回路法6.4 自動增益控制6.5 雙觸發(fā)回路 圖6.3 雙觸發(fā)原理圖參 考 文 獻1 羅登林，丘泰球，盧群. 超聲波技術(shù)及應(yīng)用()超聲波在分離技術(shù)方面的應(yīng)用J .日用化學(xué)工業(yè)，2006，012 郭平生，華賁，李忠. 超聲波場強化解吸的機理分析J.高校化學(xué)工程學(xué)報，2002，(06)3 沈耀亞，趙德智，許鳳軍. 功率超聲在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢措施J.現(xiàn)代化工，2000，(10)4 同濟大學(xué)聲學(xué)研究所. 超聲工業(yè)測量技術(shù)M .上海人民出版社, 19775 鄭群里，楊為理，應(yīng)啟珩. 信號與系統(tǒng)M .高等教育出版社, 19816 孟華，閆菲，李明偉. 新型時差法超聲波流量計 J .儀表技術(shù)與傳