基于超声波测量流量的传感器.docx

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基于超声波测量流量的传感器

基于超声波传感器的流量测量

摘要：

超声波是一种频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

本文就是在超声波的物理性质和压电式传感器的基础上设计的超声波流量计。

其中运用的超声波检测技术是一种是利用超声波的物理性质把一些非电量（如位移，速度等）转换成声学参数（如声速，声阻抗，声衰减等），而这些声学参数又可以利用某些传感元件（如压电元件等）转换成为电参数的非电量电测技术。

所以超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

而文中的超声波流量计是通过检测流体流动时对超声波信号的影响来测量流体流量的仪表。

关键词：

超声波物理性质压电式传感器流量

引言

一、超声波的产生与传播及其物理性质

1.1、什么是超声波

1.2、超声波的传播

1.3、超声波的物理性质

二、超声波传感器的结构和原理

三、超声波测量参数的方法

四、超声波流量计的工作原理

五、误差分析

六、结论与收获

参考文献

引言：

本文首先介绍的是超声波的产生与传播及其原理，包括什么是超声波和超声波的传播特点，然后讲述了超声波传感器的结构与原理及其应用，包括压电效应，超声波直式换能器，超声波检测原理等。

一、超声波的产生与传播及其物理性质

1.1什么是超声波

所谓超声波，是指人耳听不见的声波。

正常人的听觉可以听到20Hz~20000Hz的声波，低于20Hz声波称为次声波或亚声波，超过20000Hz的声波称为超声波。

超声波是声波大家族中的一员，它和可闻声波在本质上是一样的，他们都是一种机械振动，通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定的距离内沿直线传播具有更良好的束射性和方向性。

1.2超声波的传播

由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同，声波的波形也不相同。

超声波有如下三种波形：

纵波：

质点的振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。

它在固体、液体和气体中传播。

横波：

质点的振动方向垂直于传播方向的波称为横波。

它只能在固体中传播。

表面波：

质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的，称为表面波。

表面波质点振动的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向。

表面波只在固体的表面传播。

1.3超声波的物理性质

超声波的反射与折射：

当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。

同样遵循反射定律和折射定律--入射角的正弦与反射角的正弦之比等于入射波速与反射波速之比；入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波速与折射波速之比。

二、超声波传感器的结构和原理

2.1超声波换能器（超声波传感器）

在超声波检测技术中，主要是利用超声波反射、折射、衰减……等物理性质。

不管是哪一种超声波仪器，都必须把超声波发射出去，然后再接收回来，变换成电信号，完成这一部分工作的装置，就是超声波传感器，但是在习惯上，把这个发射部分和接收部分均称为超声波换能器，有时也称为超声波探头。

超声波换能器在检测技术中所采用的工作原理是以压电效应为基础的，作为发射超声波的换能器是利用压电材料的逆压电效应（电致伸缩压电效应），而接收用的换能器则是利用其压电效应。

在实际使用中，由于压电效应的可逆性，有时将换能器作为“发射”与“接收”兼用，亦即将交流脉冲电压加在压电元件上，使其向介质发射超声波，同时又利用它作为接收从介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号送到后面的放大器。

因此压电超声波换能器实质上是压电式传感器。

2.2压电式传感器：

压电式传感器是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。

2.3压电效应：

某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一特定方向对其施力而使它发生机械形变时，其内部将产生极化现象，并在它的两个对应晶面上产生符号相反的等量电荷；当外力取消后，电荷也随之消失，晶体又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应（piezoelectric-effect）,如图1所示。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场（电压）作用时，这些电介质晶体会在一特定的晶体轴方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场消失时，这些变形或压力也随之消失，此种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩现象。

因此，压电效应具有“双向性”的特点，压电元件可以实现机械能与电能间的双向转换，如图2所示。

2.4在压电式超声换能器中，常用的压电材料有石英（SiO2），钛酸钡（BaTiO3），锆钛酸铅（PZT），偏铌酸铅（PbNb2O6）等。

换能器由于其结构不同，可以分为直探头式、斜探头式、双探头式……等各种。

本文采用的是直探头式即直式换能器

直式探头换能器可以发射和接收纵波。

它主要由压电元件、阻尼块（吸收块）及保护膜组成，其基本结构原理如图3所示。

压电片1是换能器中的主要元件，大多做成圆板形。

压电片的厚度与超声波频率成反比。

例如，锆钛酸铅的频率厚度常数为1890kHz/mm，压电片厚度为1mm时固有振动频率为1.89MHz。

压电片的直径和扩散角成反比。

压电片的两面敷有银层，作为导电的极板，压电片的底面接地线，上面接导线引至电路中。

为了避免压电片与被测体直接接触而磨损压电片，在压电片下粘合一层保护膜2,保护膜有软性保护膜和硬性保护膜两种。

软性的可用薄塑料膜（厚约0.3mm），它与表面粗糙的工件接触较好。

硬性的可用不锈钢片或者陶瓷片，保护膜的厚度为二分之一波长的整数倍时（在保护膜中的波长），声波穿透率最大；厚度为四分之一波长的整数倍时，穿透率最小。

保护膜材料性质要注意声阻抗的匹配，设保护膜的声阻抗为Z，晶体的声阻抗为

，被测工件的声阻抗为

则最佳条件为：

。

压电片与保护膜粘合后，谐振频率将降低。

阻尼块又称吸收块（图3中的零件3），其作用为降低压电片的机械品质因素Qm,吸收声能量。

如果没有阻尼块，电振荡脉冲停止时，压电片因惯性作用，仍继续振动，加长了超声波的脉冲宽度，是盲区扩大，分辨率差。

当吸收块的声阻抗等于晶体的声阻抗时，效果最佳。

2.5超声波传感器的参数包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也高。

（2）热稳定性。

热稳定性指超声波换能器的性能随温度变化的特性。

该参数决定了超声换能器的热稳定性，该参数越小越好。

（3）灵敏度。

接收和发射换能器的灵敏度是有内部晶片的机电偶合系数所决定，灵敏度随机电耦合系数的增大而增大，该参数对超声换能器的稳定性很有意义。

四、超声波测量参数（声速）的方法--传播时间法

这种方法的原理方框图如图4所示。

主控振荡器每发出一个脉冲信号，发射电路就使换能器发射一种超声脉冲，同时双稳态触发器2被触发。

反射回来的超声脉冲再次触发触发器2，它的两次触发给出一门控方波信号，其宽度与超声波在介质中的传播时间有关。

实际应用中，由于超声波在流体中传播时，当流体的流速增加时，顺流方向的超声波传播速度将减小，所以对同一固定传播距离（两换能器之间的距离）在顺逆流时有不同的传播时间。

因此，传播时间法超声流量计就是利用顺逆流传播时间的差值与流速有一定关系而实现对流体的测量。

四、超声波流量计的工作原理

利用超声波检测技术测量流量的超声流量计的工作原理，可分为两种，一种是测量在顺流和逆流方向传递超声波的时间差；另一种是测量顺流或逆流时传递超声波时重复频率的频率差。

下面介绍采用频率差法获得的超声波流量计的工作原理，如图5所示。

发射换能器K1和K3把超声波发射出去，其中K1发射的超声波和液流同向，另一个K3发射的和液流逆向；他们发射出的超声波分别由接受换能器K2和K4接收回来。

平均速度为v的流量在沿超声波传播方向的平均速度为

（1）

如果两个换能器的距离为L，则换能器K1、K2和K3、K4间超声波的传播时间t1、t2分别为

（2）

图中调制器以触发器方式工作。

发射换能器发射一个超声波同时，调制器闭塞；待接收换能器收到超声脉冲以后，调制器才重新开启，使电震荡信号再次进入发射换能器，这样就形成了一系列受超声波调制的周期性高频信号。

它的重发周期分别为

T1=t1，T2=t2

它们的频率f1和f2分别为

（3）

两频率的差值

为

（4）

式中

，在结构一定时为常数。

上式表示

直接与液流的平均速度有关。

它与声速c无关，因而其它参数对测量结果的影响也就消除了。

由上面的式子，经整理可得

（5）

它表明也可以从时间t1和t2求得平均速流v。

超声波流量计是通过检测流体流动时对超声波信号的影响来测量流体流量的仪表，可做非接触测量，安装时无需截断流体。

超声波流量计为无流动阻扰测量，无额外的压力损失。

超声波流量计测得的流量是通过测量声束的传播时间，以及从实际测量的管道和声道等几何尺寸计算求得的仪表系数，最终计算出来的属于间接测量。

因此，采用的测量方法准确程度决定了整个测量精度的高低。

超声波流量计适合于测量几乎所有导电或非导电液体的流量。

主要应用于以下领域：

水处理工厂原水输入量，废水处理，发电和公共事业，石油和天然气工业，石化工业，灌溉系统，工厂或电厂中

的冷却水，工厂中的非导电液体。

五、误差分析

1、由于超声波会受到被测物体不平整、反射角度、环境风速温度以及多次反射的影响，可能会带来测量数据误差增大。

2、由于超声波有测量盲区的固有特性，因此，如果近距离测量时，当测量位置发生变化而接收到的数据不变时，说明进入了测量盲区。

六、结论与收获

通过这次课程设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了对传感器这门课的学习成果。

虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练，但是我会在今后的学习中继续努力、不断完善。

这几天的设计是对过去知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。

并且感受到了学习理论知识并将其用于实践的快乐，达到了课程设计的目。

参考文献：

[1]张玉龙等《传感器电路设计手册》中国计量出版社1989年

[2]单成祥《传感器的理论与设计基础及其应用》国防工业出版社1999年

[3]严钟豪谭祖根《非电量电测技术第二版》机械工业出版社2003年

[4]赵燕《传感器及应用》北京大学出版社2009年