一种新型超声多普勒流量计探头的设计

摘要：介绍了一种新型的适于安装在管道上的外夹式超声波多普勒流量计探头。详细介绍了超声多普勒流量计传感器的原理、结构，各主要组成部件的材料、外形、功能及重要参数等，并阐述了探头的发射电路基本结构、原理图及仿真结果。经实践检验，该超声波换能器具有良好而稳定的性能，且有广泛的应用前景。
关键词：超声换能器；超声传感器；超声探头；超声多普勒

0 引言
    超声多普勒探头，即换能器是多普勒流量计的传感原件，通常安装在被测流体的管道外部，不接触被测流体，不干扰流体的流动，无压力损失，维修方便，特别适用于有毒、有害、有腐蚀性和带有磨料的液体。其突出优点是可实现高分辨率，对流速变化响应快，对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感，没有零点漂移问题。它直接影响流量计的测量准确度，因此无论是流量计的设计制造者还是
使用部门，对换能器的选型、材料、结构、工艺及安装都非常重视，渴求获得精度高、性能稳定的传感器。

1 超声传感器
    超声传感器，也即超声换能器，是产生超声波和接收超声波的装置，是超声定位系统中的重要组成部分。
    通常所说的超声传感器是指电声换能器，是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。用来发射声波的传感器称为发射器，当传感器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能来接收声波的传感器称为接收器，当传感器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声传感器的工作原理大体是相同的，通常都有一个电储能元件和一个机械振动系统。当用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起传感器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化对传感器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与传感器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射超声波。接收超声波的过程正好与此相反，在接收超声波的情况下，外来超声波作用在传感器的振动面上，从而使传感器的机械振动系统发生振动，借助于物理效应引起传感器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起传感器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。通过对电压或是电流信号的数字处理，获取所需信息。超声多普勒流量计探头正是应用这种原理制造的。

2 超声多普勒流量计探头结构
    超声多普勒流量计的外夹式探头，测量、安装和维修均不影响管道流体状态，无流动压力损失，且便携性好，拆卸方便。其探头结构示意图如图1所示。

    探头壳体用铝制成，上有凹面槽，便于用固定带外夹捆绑安装在管道外壁上。
    压电换能器晶片采用性能优良的压电陶瓷材料PsnN-51。压电晶片为薄圆片型，沿厚度方向振动，产生的超声波为纵波。该压电陶瓷灵敏度和居里温度高、各种参数时间稳定性好，具有较高的介电常数和机电耦合系数，非常适用于高温高压环境下的超声多普勒流量测量。
    探头中填充的背衬材料选用硅胶，为高阻抗、高衰减的吸声材料，可以吸收压电换能器晶片背面辐射的超声波并将其转换为热能，减小背面辐射产生的干扰。
    匹配元件为电感，可以改善发射、接收电路与压电换能器晶片之间的机电耦合性能。
    晶片前端有阻抗匹配层，厚度为1／4超声波波长，可以实现换能器晶片和声楔之间的声阻抗过渡，避免因阻抗的显著差异而降低界面透射系数，避免压电换能器晶片以高Q值振荡从而影响探头的发射接收性能。声楔的倾斜角度设计以及材料的选用是为了避免超声波在管道和流体中传播时产生较强的交混回响，并提高信号强度。这里选用聚醚酰亚胺(PEI)，常温(20℃)下纵波传播的声速c为2424 m／s。
3 多普勒探头发射电路设计及仿真
    超声波发射电路的基本结构如图2所示。超声脉冲的发射是由压电换能器完成的，它的能量取自高压脉冲发生器所提供的高压电脉冲。在图2中，通过限流电阻R隔直流电容器CB被充电到VH，在常用的超声多普勒流量计中，VH电压在数十伏到几百伏范围内，R、CB时间常数由系统的最大脉冲重复频率决定。开关S是一个快速的电子器件，当其激发时(接通)，引起一次从隔直流电容器向换能器及其相连的电负载的电荷转移，此处的电负载是指电阻与调谐电感的组合。在实际应用中，发射电路与换能器之间有较长的一段有损耗的连接电缆，可用集中传输线来模拟电缆的影响。对大多数的应用来说，用一个LC网络代替就可以了。

    多普勒探头采用单元式换能器对目标流体进行测量。为兼顾整机灵敏度，通常使用较高的高压电源，例如150～350V。图3给出了一种具体的发射电路，R2与C2的串联为换能器的等效电路。该电路设计过程使用National Instrument公司出品的MultiSim软件进行了仿真，结果如图4所示。输入2MHz、峰峰值为5V的矩形波，输出为2MHz、峰峰值为17．8V。

4 实验与分析
    超声多普勒探头安装结构示意图如图5所示。管道外壁上开有与探头大小匹配的卡槽，将发射与接收探头沿直径方向对称的嵌人管壁外侧的卡槽中，且收发射晶片以45°倾角面对着管道中液流的方向。用黄油、凡士林或硅胶黏合剂等将探头表面与管道耦合，排除空气的影响，提高超声波的穿透能力，并固定使之不随测试管道的振动及外界条件的改变而活动。探头后端的数据传输线与测试处理电路板连接，进行数据运算处理并显示。

    应用此超声波多普勒流量计探头研究多相流的流量，以紊流模型为基础，采用模型分析和实验相结合的方法，对多相流进行总体积流量实时在线测量。
    经试验，本设计的超声波换能器具有如下优点：
    (1)功率小，使换能器发出的声波不致引起被测流体流场形态的改变，同时又有足够的强度和稳定性，使接收到的声信号有最大的信噪比，并且有较好的时间稳定性和温度稳定性；
    (2)在被测流体流速一定的情况下，能获得最大的多普勒频移；
    (3)在功率一定的情况下，有较大的声能透射到流体中。