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量，適用于大管徑氣體流量的高精度測量(管徑范圍可達(dá)DN100一DN1600，其中DN表管道內(nèi)徑，單位:~)，測量**度高，可達(dá)t0.5%，重復(fù)性高，可達(dá)0. 1 %;其測量方式為接觸式，信號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)間不同來測量流量的。
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，稱正效應(yīng);而承受電場時(shí)材料又會產(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
超聲波穿過介質(zhì)的距離越大，能量衰減越大。若通過介質(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.可見超過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;D為聲源直徑。
由式(5)可見，超聲波頻率越高，波長就越短，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;測距用超聲波傳感器的傳輸距離較長，對分辨率的要求相對較低，所以一般情況下測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)中的聲道長度大于探傷聲道，但又小于超聲測距聲道，所以這兩種超聲波傳感器都不能應(yīng)用于測量氣體流量。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)對氣體中的聲學(xué)干擾問題進(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)噪聲是無法回避的問題。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)等對周圍環(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:一類使用電氣方式產(chǎn)生超聲波;一類是用機(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(或接收電路初級)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，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通過兩個(gè)換能器，收到的超聲波能量甚微?；谶@個(gè)原因，對于厚度振動(dòng)形式傳感器常采用多層結(jié)構(gòu)匹配層來改善聲阻抗匹配，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。在脈沖式超聲波測量技術(shù)中，為了保證測量精度，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)簡單，性能穩(wěn)定，其耐腐蝕性好。這類傳感器通常用于近距離報(bào)警，測位，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)境對超聲波測量的影響
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40℃時(shí)的聲速相對于20℃時(shí)改變了+3. 4%，因此測量距離也會改變約+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因此測量距離改變*大也只有2%。實(shí)際現(xiàn)場中，空氣濕度變化不會如此大，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大于3%。在現(xiàn)場使用中，.只有靠近被測物表面的幾cm的氣流有可能大于20 km/h，且垂直于測量方向，故對測量結(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)，作為檢測和控制的一種手段，具有簡單可靠，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，超聲檢測在氣體中的應(yīng)用也越來越廣泛。
