【正文】 不同。機(jī)電耦合系數(shù)為無(wú)量綱單位。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。（3） 換能器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是從電學(xué)中應(yīng)用到機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中來(lái)的一個(gè)重要物理量，它與標(biāo)稱寬帶密切相關(guān)，即與換能器的機(jī)電耦合系數(shù)密切相關(guān)，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30，在空氣中。（4） 換能器的阻抗特性：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(jí)電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負(fù)載（或接收聲負(fù)載）匹配。（5） 換能器的方向特性：一個(gè)發(fā)射或接收聲波換能器，其尺寸和所在介質(zhì)中的 聲波波長(zhǎng)可相比擬時(shí)，它發(fā)射聲能是集中在某些方向上的，即具有一定的擴(kuò)散角。 式中，為超聲波波長(zhǎng)，D為換能器直徑，所以頻率越高，擴(kuò)散角越小。但是，超聲波在傳播過(guò)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。 (6) 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(shí)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(dòng)阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時(shí)，為了保證聲能損失小、方向性強(qiáng)，必須把壓電材料封裝在聲楔中，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機(jī)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，做成完全 一樣的結(jié)構(gòu)，可以互換使用或進(jìn)行雙向收發(fā)[15]，這樣不僅可以降低成本，而且在 一定程度上減小了測(cè)量誤差。 超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)其工作特性的影響 任何一個(gè)換能器都有其中心頻率，要使換能器工作在最佳狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào) 頻率應(yīng)與換能器的中心頻率一致。一般可采用單脈沖信號(hào)及連續(xù)脈沖信號(hào)作為換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的主要性能參數(shù)為脈沖寬度與脈沖幅度，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于縮小盲區(qū)，提高探測(cè)精度有重要意義。無(wú)論什么驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在換能器正確安裝的前提下，脈沖寬度的大小與換能器頻率之間存在著一最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足該關(guān)系式時(shí)，可使換能器輸出的信噪比最高。 當(dāng)脈沖為單脈沖信號(hào)時(shí)，由于檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量周期往往遠(yuǎn)大于脈沖寬度，因此，我們可以認(rèn)為前后兩個(gè)測(cè)量周期之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互之間沒有影響，從而可以僅僅對(duì)單一脈沖信號(hào)進(jìn)行分析。對(duì)圖6(a)所示脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，其幅頻特性如圖25(b)所示。假設(shè)脈沖的寬度為2a，其直流成分的幅值最大，然后幅 值慢慢減小至零，接下來(lái)幅度的峰值分別處于(2n+1)/2a處(n=1,2,3…),且隨著 n的增大，峰值逐漸減小至零。為了使傳感器的輸出特性最佳，所發(fā)送的脈沖信號(hào) 應(yīng)該在傳感器的中心頻率處信號(hào)最強(qiáng)；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會(huì)給 接收換能器帶來(lái)很大的干擾，使接收電路識(shí)別不出接收信號(hào)是否為真實(shí)信號(hào)，因此可以考慮將中心頻率對(duì)應(yīng)的角頻率取在偏離直流信號(hào)一定角頻率的第一個(gè)峰值處。于是又下面的公式成立： 式中，為換能器中心頻率，a為脈沖信號(hào)寬度。 圖6 脈沖信號(hào)及其幅頻特性 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理 時(shí)差法超聲波流量計(jì)就是利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時(shí)存在時(shí)間差，而傳播時(shí)間的差異與被測(cè)流體的流動(dòng)速度有關(guān)系，因此測(cè)出時(shí)間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計(jì)算出流體的流量。其基本原理如圖7所示。超聲換能器 A、B 是一對(duì)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(hào)在被測(cè)流體中的聲速為 C，超聲波順流時(shí)從A到B的時(shí)間為t1，逆流時(shí)從B到A的時(shí)間是t2，由于換能器布置在管外，超聲波在換能器和 圖7 時(shí)差法工作原理圖 管壁中傳播需要時(shí)間，而且電路也有延遲，這三種傳播時(shí)間總稱為延遲時(shí)間，遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播時(shí)間，則有： 在一般工業(yè)測(cè)量過(guò)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,所以順逆流時(shí)間差可化簡(jiǎn)為: 因此，時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本方程可以寫為： 提高測(cè)量超聲波傳播時(shí)間精度的方法 由上節(jié)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理我們可以看到，時(shí)差法超聲波流量計(jì) 的測(cè)量精度與超聲波傳播時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量密切相關(guān)。只有在既能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè) 量傳播時(shí)間又能有效地對(duì)順、逆流傳播時(shí)差進(jìn)行計(jì)算的前提下，才談得上測(cè)量精 度。但是，在錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，接收的信號(hào)常常伴隨著各種外來(lái)干擾，如流 體介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒和氣泡等產(chǎn)生的干擾，特別是來(lái)自外界的電磁干擾等，這些 干擾信號(hào)成為準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的主要障礙。因此，如何確保超聲測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性以及選用何種方法計(jì)算時(shí)差成為時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的關(guān)鍵，為此人們常在測(cè)量回路上采取一些措施，常見的方法有： 閥值法 設(shè)置閥值，當(dāng)接收信號(hào)高于閾值時(shí)，即認(rèn)為信號(hào)到達(dá)，一般采集信號(hào)的第2個(gè)峰值（如圖 7），然后減去一個(gè)周期，所得結(jié)果為信號(hào)的傳播時(shí)間。這樣處理存在以下弊端： 圖7 接收示意圖1) 信號(hào)在流體中傳播時(shí)，其強(qiáng)弱容易受到流體中的雜質(zhì)、氣泡等諸多因素的影響，產(chǎn)生反射、折射、吸收等現(xiàn)象，使得超聲波能量衰減不一，閾值電壓難以設(shè)定：2) 閾值電壓設(shè)定后，當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)弱變化時(shí)，就可能會(huì)使第一個(gè)波形超過(guò)閾值電壓而被接收，誤當(dāng)作第二個(gè)波形處理；或者當(dāng)?shù)谌齻€(gè)波形來(lái)到時(shí)才高出閾值電壓而被采集，這樣會(huì)嚴(yán)重影響流量計(jì)的精度；3) 實(shí)際采集信號(hào)時(shí)，常常是選取波形上升沿的某個(gè)位置，如圖7所示，這樣實(shí)際采樣點(diǎn)與信號(hào)達(dá)到時(shí)刻相差不是一個(gè)整周期，這樣即便是減去一個(gè)周期的時(shí)間，測(cè)量值還是存在明顯的誤差，尤其是頻率比較低時(shí)上升沿的坡度變得緩慢，誤差也會(huì)隨之加大；4) 由于閾值選定，就對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)提出了一定的限制，不能過(guò)高或者過(guò) 低，所以當(dāng)電路受到外界環(huán)境的影響（比如溫度變化等）使得接收信號(hào)的強(qiáng)度發(fā) 生變化時(shí)，直接影響檢測(cè)的波形，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。 設(shè)置接收窗口 一般測(cè)量傳播時(shí)間，都是以收到的的第一個(gè)接收波作為計(jì)時(shí)開關(guān)信號(hào)的。從 發(fā)射超聲波脈沖起至接收到第一個(gè)波為止的時(shí)間間隔內(nèi)，由于接收門一直敞開著，外界各種干擾信號(hào)都很容易侵入，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性?？朔吮撞〉淖钣行Х椒ㄊ窃O(shè)置一個(gè)能跟蹤目標(biāo)的窗口，在此窗口內(nèi)接收門是打開的，除此之外，門一直是關(guān)閉著，可以有效的防止干擾信號(hào)的侵入。但設(shè)計(jì)此窗口寬度時(shí)，必須考慮介質(zhì)溫度變化所引起的聲速變化以及環(huán)境溫度對(duì)電子元件參數(shù)影響等因素。 PLL鎖相回路法 在超聲波流量測(cè)量中，傳播時(shí)間只有幾百μs，用一般計(jì)時(shí)脈沖（如1MHz）來(lái)計(jì)時(shí)是不能滿足要求的。為了達(dá)到1ns的分辨率，往往需要1000MHz 計(jì)時(shí)脈沖，并且相應(yīng)的要提高各種門電路的開關(guān)速度，這是不現(xiàn)實(shí)的。采用鎖相技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。 PLL鎖相回路的基本原理如圖8所示，設(shè)置一個(gè)電壓控制振蕩器VCO，同步信號(hào)發(fā)生器使發(fā)射器激勵(lì)換能器，發(fā)射超聲波脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)VCO的頻率，在時(shí)間差檢測(cè)回路中，計(jì)數(shù)終了信號(hào)N/f與超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)間進(jìn)行比較，時(shí)間差信號(hào)被變換成電壓后去調(diào)節(jié)VCO。在閉合回路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，時(shí)間差信號(hào)為零，t=N/f。這樣的調(diào)節(jié)每秒可以進(jìn)行數(shù)百次，故響應(yīng)較快。但是 PLL鎖相回路沒有從本質(zhì)上解決由于設(shè)定閾值而帶來(lái)的誤差問(wèn)題。 圖8 鎖相回路工作原理 自動(dòng)增益控制 利用自動(dòng)增益放大控制電路，在每次測(cè)量結(jié)束后，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)接收機(jī)增益。若檢測(cè)到噪聲或輸入信號(hào)太強(qiáng)則調(diào)小增益，如果輸入信號(hào)太弱且噪聲級(jí)很低則調(diào)大增益，儀器將新的自動(dòng)增益設(shè)置值作為在下一次測(cè)量中的增 益初始值。自動(dòng)增益控制電路保證了每次檢測(cè)門檻的精確性。 雙觸發(fā)回路 所謂雙觸發(fā)回路就是預(yù)先設(shè)置兩種不同的觸發(fā)電平，當(dāng)接收波形變化時(shí)，改變觸發(fā)電平，自動(dòng)選擇最佳觸發(fā)電平來(lái)檢測(cè)時(shí)間。如圖9所示，通常以L電平來(lái)檢測(cè)時(shí)間（見實(shí)線部分），在稍許高的電平上預(yù)設(shè)H電平，當(dāng)波形變化時(shí)（見虛線部分），若繼續(xù)在L電平上觸發(fā)，就會(huì)引起誤觸發(fā)，產(chǎn)生時(shí)間檢測(cè)誤差。此時(shí)可改用H電平觸發(fā)，即由第二個(gè)波觸發(fā)變到第三個(gè)波觸發(fā)。如果能引入第二個(gè)波與第三個(gè)波元時(shí)間差的時(shí)間補(bǔ)償，測(cè)得傳播時(shí)間的絕對(duì)值也就不變，待接收波恢復(fù)，再返回到用L電平觸發(fā)。 圖9 雙觸發(fā)原理圖 由于雙觸發(fā)回路中包含有誤觸發(fā)檢測(cè)回路、觸發(fā)選擇回路和延遲時(shí)間補(bǔ)償回路等，因此它增加了硬件電路的復(fù)雜性。 超聲波流量計(jì)的修正 流速的修正 在上文討論的時(shí)差法超聲波流量計(jì)中，我們所提到的流速v都是理想狀態(tài)下沿管道截面平均分布的面平均流速，在實(shí)際情況中，由于管道截面上流體流速的分布不均勻，通過(guò)式計(jì)算得到的流速v并不是要求的橫截面上的流體平均速度，它實(shí)際上是超聲波信號(hào)穿過(guò)流體所測(cè)得的沿超聲波傳播路徑上的線平均流速，用它進(jìn)行流量計(jì)算勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生誤差，所以要保證測(cè)量的精確度則需首先確定與v的關(guān)系，也就是利用流體力學(xué)原理加以修正，即在上面的公式中加入流量修正系數(shù) K，即體積流量Q為： 式中，K為流速分布修正系數(shù)，即管道中流體線平均流速 v 和面平均流速之比； 但是由于管道流體流速分布規(guī)律的極其復(fù)雜性，人們對(duì)流體流速分布規(guī)律的 研究?jī)H限于理想管道流,即光滑層流條件下的流體流速分布規(guī)律和光滑紊流條件 下的流體流速分布規(guī)律。 層流和紊流是流體流動(dòng)的兩種狀態(tài)。流速較低或管壁粘性較大時(shí)，流體流動(dòng)的狀態(tài)是平滑的層狀流動(dòng)，主要是軸向的運(yùn)動(dòng)；流速較高或管壁粘性小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)呈雜亂不規(guī)則的流動(dòng)，即紊流，此時(shí)管內(nèi)流體的流動(dòng)不僅有軸向的還有橫向的。兩種不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著管內(nèi)的速度分布也不同。層流狀態(tài)下的速度分布形式為拋物線狀，而紊流狀態(tài)下流速以管道軸線為中心呈對(duì)數(shù)曲線對(duì)稱分布，即管道內(nèi)的速度分布趨于平坦，因此紊流狀態(tài)的速度分布比層流狀態(tài)的速度分布均勻得多，超聲波流量計(jì)也更適合在紊流狀態(tài)流體中應(yīng)用，以減少由于流速分布不均勻帶來(lái)的誤差。根據(jù)流體力學(xué)可知，雷諾數(shù) Re 是流體流動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)判斷依據(jù)，一般認(rèn)為，Re=2300 可作為流體從層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的臨界判斷，其計(jì)算公式如下： 式中v 為流體的平均流速，D 為管道直徑，為管道中流體的運(yùn)動(dòng)粘度， 為流體的密度。 1) 當(dāng) Re2300 時(shí)，流體流動(dòng)為層流狀態(tài)，管內(nèi)流體流速分布為: 式中，為管道中心處的最大電流； R為管道半徑； r為與管道中心的徑向距離。 那么，在層流狀態(tài)下，與v的關(guān)系為： 2) 當(dāng) Re2300 時(shí)，流體開始向紊流狀態(tài)過(guò)渡，通常介于層流和紊流之間的狀態(tài)也作為紊流狀態(tài)處理，管內(nèi)流體流速分布為： 式中，n隨Re不同而變化的系數(shù)，其值見表1所示： *103 *104 *105 *106 *106 n 表1 n與的關(guān)系 那么，在紊流狀態(tài)下，v與vm的關(guān)系為： 而我們所需要知道的是管道截面上的平均速度vd，同樣利用前面公式，可知層流狀態(tài)下vd與vmax的關(guān)系為： 可知絮流狀態(tài)下，vd與vmax的關(guān)系為： 由以上公式可知，層流時(shí)流量修正系數(shù)為： 絮流時(shí)流量修正系數(shù)為： 折射角的修正 夾裝式超聲波流量計(jì)除了做流速分布修正外，必要時(shí)還要對(duì)角進(jìn)行修正，根據(jù)角隨流體中聲速C的變化而變化，而C又是流體溫度的函數(shù)，因此，必須對(duì)角進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹? 式中，為超聲波在聲楔中的入射角； 、為超聲波在管壁、流體中的折射角； 、為超聲波在聲楔、管壁、被測(cè)流體中的速度。 圖中所示超聲波在流體中的角不但受到流體聲速的影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關(guān)。然而因?yàn)橐话愎逃胁牧系穆曀僮兓纫后w聲速溫度變化小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在溫度變化不大的條件下對(duì)測(cè)量精確度的影響可以忽略不計(jì)但在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫?fù)Q能器工作溫度范圍40～200℃）就必須對(duì)聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進(jìn)行修正。 圖10 夾裝式超聲波傳播途徑 可得關(guān)系式： 因?yàn)橹蠧0和為已知量，C為超聲波在被測(cè)流體中的傳播速度，是溫度的變量。這樣就可以通過(guò)修正后的C對(duì)進(jìn)行修正了。第三章 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的總體設(shè)計(jì) 本課題研究的超聲波流量計(jì)是采用時(shí)差法測(cè)量原理來(lái)進(jìn)行流量檢測(cè)的。通過(guò) 查閱國(guó)內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)，分析國(guó)內(nèi)外的各種產(chǎn)品，確定實(shí)現(xiàn)具有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平 的流量測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)