超聲波流量計(jì)換能器的種類(lèi)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(lǐng)域,壓電換能器是應(yīng)用最廣泛的一聲電轉(zhuǎn)換元件,其優(yōu)點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面：
(1)在高頻范圍,壓電超聲換能器能夠產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似于剛性活塞的均勻振動(dòng)發(fā)生器,而其他的換能器,如用于低頻振動(dòng)的電動(dòng)揚(yáng)聲器等,是很難做到這一點(diǎn)的。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于激勵(lì)。當(dāng)經(jīng)過(guò)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(lì)將不再需要極化電源,從而簡(jiǎn)化了壓電換能器的激勵(lì)電路。其他類(lèi)型的換能器,如磁制伸縮換能器等,由于需要一個(gè)直流極化電源,因而使換能器的激勵(lì)變得復(fù)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(yīng)用場(chǎng)合。
本課題簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)的超聲波換能器結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)換元件。由于壓電陶瓷晶片與工作介質(zhì)（如水）之間的阻抗是失配的,即兩種介質(zhì)的聲阻抗相差較大,從而降低了界面處的聲波透射系數(shù),而且使壓電陶瓷晶片以較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Q值）諧振。因此,在壓電陶瓷晶片與測(cè)量介質(zhì)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(cè)量介質(zhì)之間,匹配層的厚度為超聲波波長(zhǎng)的l/4。同時(shí),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(jià)的。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),我們得到了以水為工作介質(zhì)的匹配層材料與背襯材料的最佳配方。在實(shí)際應(yīng)用中接收信號(hào)最高峰一峰值達(dá)到700mV以上。
不同于應(yīng)用于超聲清洗、乳化、焊接等行業(yè)的超聲波,對(duì)于流量檢測(cè)使用的超聲波換能器,工作頻率是相當(dāng)重要的技術(shù)指標(biāo),而并非超聲波功率。
圖3-3是我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)換能器（目標(biāo)頻率為1MHz）在水為工作介質(zhì)時(shí)的阻抗特性曲線：
由實(shí)驗(yàn)曲線圖可以看出,對(duì)超聲波流量計(jì)換能器從700KHz到13OOKHz掃頻時(shí),當(dāng)f=997KHz時(shí),|z|最小,可見(jiàn)其諧振頻率也在這個(gè)值附近,即其工作頻率為1MHz左右,設(shè)計(jì)過(guò)程中我們可以采用常用的1MHz 晶振作為激勵(lì)源。
另外,還要考慮到壓力和溫度對(duì)信號(hào)發(fā)射和接收的影響,隨著項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行要不斷完善。該換能器用于裝在管段上測(cè)流量,要求激發(fā)電壓正負(fù)2.5V,頻率1MHz。50mm管段時(shí)接收信號(hào)峰值土0.5V,耐壓l.6MPa 。 |
