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超声波流量计换能器的选择


文章日期:2017-08-24|阅读数:


  超声波换能器又称为超声波探头,它是实现电能和声能相互转换的一种器件。用于检测的超声波换能器有多种,如压电型、磁致伸缩型、电磁型、振板型、弹性表面波型等等。检测技术中,主要采用的压电陶瓷材料来制作超声波换能器,它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置,其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应,利用逆压电效应产生超声波,即在压电材料上加上某种特定额率的交变正弦信号,材料就会产生随所加信号频率变化的机械形变,继而在周围介质中产生疏密相间的机械波,如果其振动频率在超声范围,这种机械波就是超声波。接收时,利用正压电效应把来自探测物的声信号变成电信号输出。本论文中采用了两个收发合置的超声波换能器。

超声波换能器的结构:
  超声流量测量中的超声波换能器根据其结构的不同,可以分为直探头、斜探头、表面波探头几种。在本课题的设计中,我们选用斜探头作为超声波换能器。超声波流量检测中较为常用的换能器是压电式斜探头换能器,它主要由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声波流量计的重要组成部分。
  超声波探头中的换能器常用压电晶片来制作,压电晶片的振动频率就是探头的工作频率,主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。为得到较高的频率,要求晶片在共振状态下工作,此时晶片厚度为波长。压电晶片本身较脆,为了保护其与工件接触时不损坏,常在晶片的前面粘附一层保护膜。在斜探头的晶片前面有斜楔,晶片发出的纵波通过所设定的一不同倾角的斜楔射向试件表面,经波型转换后可以在试件内部形成横波。
  为提高探头发射超声波的频率,常使晶片在共振状态下使用,但是这样振动不容易停止,难以形成窄脉冲。因此常在晶片背面装上阻尼块以增大晶片的振动阻尼,并吸收晶片背面发出的超声波。对于斜探头,晶片前面已经与楔块的斜面固定,背面一般不加阻尼块。但是斜楔内的多次反射波会造成一系列噪声,所以在斜楔的前面浇有阻尼物质,用以吸收噪声。

超声波换能器入射角度的选择:
  在有两个折射面的变换器中,超声波型的转换不同于有一个折射面变换器中的波型转换。如图,无论是声导由固体材料或是液体层构成时,在个折射面处,以“为入射角的超声纵波将在管壁产生纵波和横波两种波型,而在管壁和流体分界面处,两种波型有转换成两束纵波在流体中传播。当这两束纵波到达对面管壁处,又转换成四束纵波和横波的两种波型在管壁中传播,在接收换能器声导内则将产生六束其中有两束波重合超声波束。像这种情况对接收换能器的接收信号的选择是不利的。因此,可以适当增大入射角并配合适当的声导材料,使入射波在管壁处所产生的纵波形成全反射。这样,除入射声导以外,其余传播媒质中的波
图变换器中超声波型的转换

图变换器中超声波型的转换
  束数目都将减半,以减少接收声导中的声混响。但入射角亦不能过大,否则由于管壁一般是金属钢材中的横波速度也大于声导一般是有机玻璃中的纵波速度而使横波亦形成全反射。通常选在大于临界角纵波而小于第二临界角横波。对于上述两个声速值,第二临界角。,如金属管壁纵波声速为,则临界角一,考虑结构安装上的方便,一般选在一'`川`洲。本设计中采用的是由公司生产的型超声波换能器,它的入射角选取。

超声波换能器工作频率的选择:
  我们可把任一只超声换能器系统看作一个电声整体,等效为一个所谓电声四端网络。即把电端的物理量与机端的物理量通过机电祸合关系统一起来,构成统一的等效电路网络。并利用电路网络理论知识,分析电声能量转换过程和传输过程,求解出我们感兴趣的超声换能器指标。利用这种分析方法可以得出换能器的动态导纳图。本设计中采用的超声波换能器为斜探头压电式换能器,经实测得到换能器的导纳图如图。由导纳图
图超声波换能器导纳图

图超声波换能器导纳图
  可以看出,顺流换能器的谐振频率为为,逆流换能器的谐振频率为咬,两个换能器的谐振频率相差不大。由测量的结果,在本设计中超声信号的中心频率工作频率选择在,这个频率既与换能器的谐振频率比较接近,也可以由计数器电路方便的分频得到。
  本章小结在本章中就相位差法超声波流量计的硬件实现进行了详细的讨论,给出了各个部分的工程实现方法。主要就电路系统和换能器进行了讨论,包括计数电路和接收发射电路的关键技术的实现,换能器的分析和参数的选择。论文中给出了部分电路的原理框图或电路原理图和换能器的动态导纳图。


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