超声波流量计换能器的种类有很多,本文采用的换能器为压电超声换能器,外形如图3-1所示：
在超声领域,压电换能器是应用最广泛的一声电转换元件,其优点主要在以下几个方面：
(1)在高频范围,压电超声换能器能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动发生器,而其他的换能器,如用于低频振动的电动扬声器等,是很难做到这一点的。
(2)结构简单,易于激励。当经过极化以后的压电陶瓷元件被用于换能器以后,换能器的激励将不再需要极化电源,从而简化了压电换能器的激励电路。其他类型的换能器,如磁制伸缩换能器等,由于需要一个直流极化电源,因而使换能器的激励变得复杂。 (3)压电换能器易于成型和加工,因而可用于许多不同的应用场合。
本课题简要设计的超声波换能器结构,如图3-2所示：
此换能器为压电陶瓷超声波换能器,采用压电陶瓷晶片为声电转换元件。由于压电陶瓷晶片与工作介质（如水）之间的阻抗是失配的,即两种介质的声阻抗相差较大,从而降低了界面处的声波透射系数,而且使压电陶瓷晶片以较高的机械品质因数（Q值）谐振。因此,在压电陶瓷晶片与测量介质之间加入声匹配层,声匹配层材料的声阻抗介于压电陶瓷材料与测量介质之间,匹配层的厚度为超声波波长的l/4。同时,为了获得窄的声脉冲,在压电元件背后附加高阻尼和高衰减的背衬材料。这是以换能器的灵敏度降低为代价的。通过对比实验,我们得到了以水为工作介质的匹配层材料与背衬材料的最佳配方。在实际应用中接收信号最高峰一峰值达到700mV以上。
不同于应用于超声清洗、乳化、焊接等行业的超声波,对于流量检测使用的超声波换能器,工作频率是相当重要的技术指标,而并非超声波功率。
图3-3是我们设计的超声波流量计换能器（目标频率为1MHz）在水为工作介质时的阻抗特性曲线：
由实验曲线图可以看出,对超声波流量计换能器从700KHz到13OOKHz扫频时,当f=997KHz时,|z|最小,可见其谐振频率也在这个值附近,即其工作频率为1MHz左右,设计过程中我们可以采用常用的1MHz 晶振作为激励源。
另外,还要考虑到压力和温度对信号发射和接收的影响,随着项目实验的进行要不断完善。该换能器用于装在管段上测流量,要求激发电压正负2.5V,频率1MHz。50mm管段时接收信号峰值土0.5V,耐压l.6MPa 。 |
