超聲波流量計換能器的種類有很多,本文采用的換能器為壓電超聲換能器,外形如圖3-1所示：
在超聲領域,壓電換能器是應用最廣泛的一聲電轉換元件,其優點主要在以下幾個方面：
(1)在高頻范圍,壓電超聲換能器能夠產生一個類似于剛性活塞的均勻振動發生器,而其他的換能器,如用于低頻振動的電動揚聲器等,是很難做到這一點的。
(2)結構簡單,易于激勵。當經過極化以后的壓電陶瓷元件被用于換能器以后,換能器的激勵將不再需要極化電源,從而簡化了壓電換能器的激勵電路。其他類型的換能器,如磁制伸縮換能器等,由于需要一個直流極化電源,因而使換能器的激勵變得復雜。 (3)壓電換能器易于成型和加工,因而可用于許多不同的應用場合。
本課題簡要設計的超聲波換能器結構,如圖3-2所示：
此換能器為壓電陶瓷超聲波換能器,采用壓電陶瓷晶片為聲電轉換元件。由于壓電陶瓷晶片與工作介質（如水）之間的阻抗是失配的,即兩種介質的聲阻抗相差較大,從而降低了界面處的聲波透射系數,而且使壓電陶瓷晶片以較高的機械品質因數（Q值）諧振。因此,在壓電陶瓷晶片與測量介質之間加入聲匹配層,聲匹配層材料的聲阻抗介于壓電陶瓷材料與測量介質之間,匹配層的厚度為超聲波波長的l/4。同時,為了獲得窄的聲脈沖,在壓電元件背后附加高阻尼和高衰減的背襯材料。這是以換能器的靈敏度降低為代價的。通過對比實驗,我們得到了以水為工作介質的匹配層材料與背襯材料的最佳配方。在實際應用中接收信號最高峰一峰值達到700mV以上。
不同于應用于超聲清洗、乳化、焊接等行業的超聲波,對于流量檢測使用的超聲波換能器,工作頻率是相當重要的技術指標,而并非超聲波功率。
圖3-3是我們設計的超聲波流量計換能器（目標頻率為1MHz）在水為工作介質時的阻抗特性曲線：
由實驗曲線圖可以看出,對超聲波流量計換能器從700KHz到13OOKHz掃頻時,當f=997KHz時,|z|最小,可見其諧振頻率也在這個值附近,即其工作頻率為1MHz左右,設計過程中我們可以采用常用的1MHz 晶振作為激勵源。
另外,還要考慮到壓力和溫度對信號發射和接收的影響,隨著項目實驗的進行要不斷完善。該換能器用于裝在管段上測流量,要求激發電壓正負2.5V,頻率1MHz。50mm管段時接收信號峰值土0.5V,耐壓l.6MPa 。 |
