【正文】 里變壓器的主要用途是升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載（超聲波換能器）阻抗匹配，變壓器與探頭接成單端激勵方式。至此，從硬件邏輯角度完成了一次發(fā)射到接收的過程。應(yīng)用這種多脈沖聲循環(huán)法對微小時間進(jìn)行累積后，現(xiàn)有的電子線路可以非常容易的對 3t 和 4t 進(jìn)行測量，時間差 t? 的準(zhǔn)確測量就變的非常容易。在完成 N 次聲循環(huán)后循環(huán)停止，假設(shè)這 N 次順流聲循環(huán)所需的時間為 3t ，它包括 N 次固有延遲時間 )(i? ，（ i= 3… N）之和以及 N個超聲波在水中單次順流傳播時間 1t 之和，即： 113 )( NtitNi ???? ? (211) dvT1T2?dvT1T2?啟 動 啟 動放 大放 大 圖 雙換能器交替發(fā)射接收示意圖 接著使超聲波換能器 T2作發(fā)射探頭， T1作接收探頭，如圖 b 所示，將觸發(fā)信號施加 在發(fā)射探頭 T2 上使之開始發(fā)射超聲波，接收探頭 T1 接收到超聲波后，經(jīng)放大、整形處理，觸發(fā) T2第二次發(fā)射超聲波，這樣就形成了逆流超聲波聲循環(huán)，同樣可知超聲波完成N 次逆流聲循環(huán)后所需的時間 4t 包含 N 次固有延遲 )(i?? 之和以及 N 個超聲波在水中單次逆流傳播時間 2t 之和，即： ?? ???Ni Ntit 1 24 )(? (212) 當(dāng)圖 a 和圖 b 中的發(fā)射電路、放大電路等采用完全相同的電路而且超聲波換能器的發(fā)射接收性能穩(wěn)定一致時，只要 N 足夠大，由于統(tǒng)計效應(yīng)的出現(xiàn)，上述兩次聲循環(huán)的延時總和是相等的，即： ???? ??NiNi ii 11 )()( ?? (213) 于是： Nttttt 3412 ????? (214) 由此可見，時間差 t? 不用再去測量難以準(zhǔn)確計量的微小時間 1t 和 2t 。 多脈沖測量方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過程，對某一物理量進(jìn)行測量的方法，工作示意圖見圖 ，首先使一個超聲波換能器 T1作為發(fā)射探頭，另一個換能器作為接收探頭，如圖 a 所示，然后將觸發(fā)信號施加在發(fā)射探頭 T1上使其發(fā)射超聲波。本設(shè)計結(jié)合微 處理器的特點， 對超聲波時差流量測量的多脈沖測量方法進(jìn)行了較深入的研究。 V 型安裝方式時差法原理介紹 首先，針對 V 型安裝方式的測量原理對流速測量公式進(jìn)行推導(dǎo)，原理圖如圖 所示： dvT1T2? 圖 V型安裝方式 時差法原理示意圖 當(dāng)管道中流體以速度 v 流動時，超聲波信號在流體中的順逆流傳播時間分別為 1t 、 2t ，那么對于 V 型安裝有： ??sincos21 vCdt?? (27) ??sincos22 vCdt?? (28) ??22212 s i nt a n4 vC dvttt ????? (29) tdCv ?? ?tan4 2 (210) 多脈沖測量原理 超聲波順逆流發(fā)射的傳播時間差 t? 僅為 95ns 左右，如果 要求系統(tǒng)測量精度為 ?1 ，則測量分辨率至少應(yīng)達(dá)到 1ns，那么就需要采用 1000MHz 的時鐘脈沖計數(shù)來記時，并且相應(yīng)的要提高各種門電路開關(guān)速度，在現(xiàn)今電子技術(shù)發(fā)展情況下，這樣高的頻率時鐘電路和計數(shù)電路都難以實現(xiàn)，可見極力去精確測量單個納秒級的時差是不現(xiàn)實的，為了解決這個難題，本設(shè)計采用了多脈沖法作為測時方法。另外，超聲波換能器的性能，主機中對信號的采集和處理是另一個測量的重要因素。 在使用超聲波流量計進(jìn)行測量時，通常流場相對穩(wěn)定，超聲波在液體中傳播衰減相對較小，對于流體溫度對測量的影響，以往的超聲流量計均采用壓電超聲換能器進(jìn)行測量，只有在被測流體溫度較高，超過 150℃ 的情況下，才無法進(jìn)行測量，而一般情況下的測量，溫度在不超過 150℃的情況下，精確度是比較高的，因此常溫下可不考慮此問題。 設(shè)超聲波信號在被測流體中的聲速為 C ， 聲射線與管軸之間的夾角為 ? ，管道內(nèi)徑為 d ， 由于換能器布置在管道外，超聲波在換能器和管壁中傳播需要時間，而且電路也有延遲，總稱為延遲時間 0? ， 0? 遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播時間，則有： 01 sinc os ??? ??? vCdt (21) 02 sinc os ??? ??? vCdt (22) ?? 22212 s int a n2 vC dvttt ????? (23) 在一般工業(yè)測量 中，超聲波在液體中傳播速度比液體的流速大得多，即 2C 遠(yuǎn)大于?22sinv ，所以順逆流時間差 12 ttt ??? 可以簡化為： ?tan2212 Cdvttt ???? (24) 因此，時差法超聲波流量計的基本方程可以寫為： tdCv ?? ?tan2 2 (25) vdQ 42?? (26) 由于 C 、 ? 和 d 均已知 ,只要測出 t? 就可計算出 v 和 Q 來。其基本原理如圖 所示： dvT1T2? 圖 時差法基本原理示意圖 圖中為液體管道，其中流有待測量液體，管道兩側(cè)裝有超聲波換能器 T1及 T2，它們是一對能同時發(fā)射和接收超聲波的換能器。 本設(shè)計中選用了 V 型安裝方式，在管道同一側(cè)安裝了兩個相同的超聲波換能器，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一切附加溫度誤差，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不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對測量的干擾。 超聲波換能器的安裝方式及選擇 對于時差法超聲波流量計來說，超聲波換能器在管道上的安裝位置通常有三種不同形式，如圖 所示，分別為：平行式、 Z 式、 V 式。 在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。一般電子市場上出售的超聲波 換能器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。 超聲波換能器的選擇 超聲波 換能 器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。 本設(shè)計中，選用了中心頻率為 1MHz 的探頭，入射角為 45176。由于超聲波入射時在管壁及流體界面處都會發(fā)生折射，會轉(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播，為提高探頭接收信號的選擇性，一般選擇入射角大于第一臨界面角而小于第二臨界角，以保證僅一束超聲波被探頭接收。 常見超聲波傳感器的中心頻率有有30KHz、 4OKHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz 等。 超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播， 用于水流量測量時，超聲波頻率范圍一般為 到 2MHz。 超聲波換能器結(jié)構(gòu)如圖 所示： 共 振 板壓 電 晶 片電 極 圖 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 超聲波換能器的選擇及設(shè)計 超聲波換能器的主要參數(shù) (1)中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。發(fā) 射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致， 這樣，超聲 波換能 器才有較高的靈敏度。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電 壓的大小和方向成正比的。超聲波 換能 器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。 換能 器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖， 這是逆壓電效應(yīng)； 當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號， 這 是正壓電效應(yīng)。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。其具有下列的特性 :把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變 。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等 組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電超聲 波 換能器主要應(yīng)用于常溫下的檢測。常用超聲 波 換能器有壓電換能器、磁致伸縮換能器、電磁換能器以及電容式換能器等。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。 因此，時差法比較適合于工業(yè)上潔凈用水的流量測量，多普勒法適合于雜質(zhì)較多且分布均勻的流體的流量測量 [10]。 時差法超聲波流量計主要應(yīng)用于單相液體的測量 ,而多普勒超聲波流量計則用于含有適量的固體顆粒或氣泡的多相流體的計量。 時差法流量計通過測量出超聲波沿順流方向和 逆流方向的時間差來計算流量；多普勒法將超聲波射束放射于與流體同一速度流動的微粒子，并接收從微粒子反射回來的反射波，測出多普勒頻率來測量流量。 超聲波流量計由于具有以上的優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)測量領(lǐng)域 [8]。 超聲波流量計概述 超聲波流量計的發(fā)展及現(xiàn)狀 超聲波流量計的特點 超聲波流量計是通過檢測流體流動時對超聲束的作用，來測量體積流量的儀表。每種流量計都有其適用范圍，也都有局限性，這就要求我們能在現(xiàn)有知識與技術(shù)基礎(chǔ)上，研制新型儀表，提高精確度等指標(biāo)，使其在現(xiàn)有基礎(chǔ)上更加完善。 以上為按照較傳統(tǒng)的測量原理設(shè)計的流量計量儀表，現(xiàn)在還出現(xiàn)了幾種新工作原理的流量儀表，如靜電流量計、復(fù)合效應(yīng)流量儀表、轉(zhuǎn)速表式流量傳感器等 [7]。我國 1990 年流量儀表產(chǎn)量（不包括家用燃?xì)獗砗图矣盟恚┕烙嫵^ 25 萬 臺 [3][6]。 20 世紀(jì) 60 年代開始有了渦輪流量計和電磁流量計等本國產(chǎn)品。目前美國有 200 余家，英國、德國和日本也均有 50家以上，我國有 250 家 以上。 在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，流量測量儀表是工業(yè)自動化儀表和裝置中的大類儀表之一，在各方面有廣泛的應(yīng)用，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)約能源、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具，無論在商業(yè)貿(mào)易和工業(yè)生產(chǎn)中，對流體流量計量的需求都在不斷增長 [2]。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、 電磁力 型、靜電型等多種超聲換能器。 20 世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機電換能器。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機械型超聲換能器。 超聲的研究發(fā)展和應(yīng)用 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。 由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同 ，一般分為橫波、縱波和表面波。 3. 對流量計的硬件電路及軟件編程進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計分析 關(guān)鍵詞： 超聲波流量計 ； 單片機 ； 超聲波換能器 ； 時差法 ； 多脈沖聲循環(huán)法 The ultrasonic flowmeter based on Monolithic integrated circuit Abstract The appliance to measure the rate of fluid flow is generally called flowmeter or flow indicator and is an important appliance in industrial measurements. Compared with traditional flowmeter, the ultrasonic flowmeter has many advantages. This design based on mass resea