超声波气体流量计中传感器材料选择对特性阻抗、声波衰减的影响 涡街流量计

超声波气体流量计中传感器材料选择对特性阻抗、声波衰减的影响，超声波流量计设计关健内容之一就是处理每一路超声信号，确定信号质童对于**测童传播时间是否接受，并从中提取流动信息，如采超声信号本身就存在问题，则传播时间测量和流量测量都不会正确，文中就产生超声信号的超声波传感器主要参数的选择列举了选择条件。

文中拟采用的超声波传感器适用于时差法原理的气体流量测量，适用于大管径气体流量的高精度测量(管径范围可达DN100一DN1600，其中DN表管道内径，单位:~)，测量**度高，可达t0.5%，重复性高，可达0. 1 %;其测量方式为接触式，信号输出方式为电压输出。
超声波传感器也称探头，在此超声波流量测量中它主要利用超声波束在流动气体中顺流和逆流传播所用时间不同来测量流量的。
超声波传感器的核心是压电晶片，其工作原理是基于压电材料的压电效应(承受应力时能在材料中产生电场，称正效应;而承受电场时材料又会产生应力和应变，称逆效应)，逆效应用于超声波的发射，正效应用于超声波的接收。
*是一种能量转换器件，其性能描述与评价需要许多参数，*的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电祸合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、指向性、发射及接收灵敏度等。不同用途的换能器对性能参数要求不同。超声能量在不同物质界面上的传播透射率与两者的声阻抗有关，声阻抗定义为材料密度和内部声速的乘积。在气体的输送过程中，不可避免地存在压力波动并引起密度变化，从而引起声阻抗以及声波透射率变化，*明显的表现就是波形幅值不稳定。
1超声波传感器频率选择
气体的超声检测技术中关键部件就是超声波换能器(超声波传感器)，由于气体中高频声能强烈衰减，因而要求传感器应具有较高的转换效率，其工作频率又不能太高。下面主要介绍通常在气体介质中应用的超声传感器频率选择。
1.1振荡频率的产生
气体中超声频率取决于电声换能器的电频率。发射超声波的常用材料有钦酸钡、错钦酸铅等压电材料。压电晶体的固有频率为
式中:n=1, 2, 3,……，为谐波的级数;d为晶片厚度;E为杨氏模量;P为压电材料的密度。
当外加于晶体的交变电压的频率等于其固有频率时，产生共振，此时产生的超声波能量*大。
压电效应换能器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波。
1.2超声波能f衰减与频率的关系
超声波穿过介质的距离越大，能量衰减越大。若通过介质距离一定，超声波的频率越大，能量衰减越大。假设超声波进入介质的强度为Io、声压为Po，通过介质后的强度为I、声压为P，则
式中:d为介质的厚度;A为介质对超声波能量的吸收系数。
式中:f为超声波频率;P为介质密度;c为声速;为介质薪滞系数;X为介质热导系数;Cv为介质定容比热;Cp为介质定压比热。
在空气中超声波在频率为100kHz, 1 MHz, 5 MHz, 10MHz时对应的衰减系数为0.017 dB/mm, 1.7 dB/mm, 40 dB/mm、170 dB/mm.可见超过1MHz时，在几mm的动作距离接收器就不能接收足够的超声波能量。
1.3频率对指向性的影响
式中:θ为波束半扩散角，也称主瓣半角;λ为超声波波长;D为声源直径。
由式(5)可见，超声波频率越高，波长就越短，扩散角就越小，指向性越好。在图1中，生源中心轴线的声压越大，曲线包围范围内任一点的声压要大于曲线上任一点的声压。
1.4传感器频率的选择
频率的选择，首先要考虑在*大动作距离内，接收器能接收到足够声压与强度的超声波。探伤用超声波传感器的传输距离短，分辨率高，发出超声波频率较高，一般为几MHz到几十MHz;测距用超声波传感器的传输距离较长，对分辨率的要求相对较低，所以一般情况下测距用的传感器振荡频率较低，一般在40 kHz左右。气体流量计中的声道长度大于探伤声道，但又小于超声测距声道，所以这两种超声波传感器都不能应用于测量气体流量。同时为提高计时精度，应选择高频率探头，但频率太高将增加电路设计的困难。频率一般根据管径来选择，管径较大选择低频探头，反之选择高频探头，一般使用频率范围为100 kHz一1 MHz。
Brassier：(2001年)对气体中的声学干扰问题进行了详细的研究，证明气载噪声干扰的强度与流量、压力以及选用的调压装置都存在一定的关系，并且*量在整个频率段上的分布也存在差异，要基本避免超声声学干扰，选用的换能器工作频率至少要在500 kHz以上。由于气体中超声能量的衰减与超声频率成正比，为了在接收端保持一定的信噪比，通常的换能器工作频率都在50一200 kHz左右，然而在此频段内，声学噪声是无法回避的问题。新一代超声波流量计Q. Sonic一3，超声频率已经被提高到200 kHz，信噪比得以改善。
其次要考虑超声振动因机械效应、热效应、化学效应、生物效应等对周围环境的影响。
2超声波传感器材料选择
超声波发生器可以分为2大类:一类使用电气方式产生超声波;一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各不相同。采用压电陶瓷的压电型以体积小、性能好、成本低的特点成为主流，它也是应用*广泛的一种。
2.1机电祸合系数x
机电祸合系数K是综合反映材料性能的重要参数，表示压电换能器的机械能与电能之间相互交换的性能，是判别材料好坏的主要依据，不论用以发射还是用以接收，都要求材料的系数K尽量高，所以它是设计者选择材料的首要参数指标。
2. 2机电品质因数Qm
Qm是将电学中品质因数Qe引用到机械振动系统中的物理量
式中分别为压电振子的机械谐振频率、等效质量和等效机械阻抗。
2.3阻抗特性
根据换能器的等效机电六端网络图，每一端都具有一定的特性阻抗。因此，要求换能器与发射电路末级(或接收电路初级)的阻抗相匹配。此外，根据超声波的射线特性，还要求换能器与辐射声负载(或接收声负载)相匹配。如何实现机电阻抗匹配和声学阻抗匹配技术，是研制超声波换能器必须解决的关键问题之一，图2为换能器结构。
通常超声传感器所用压电陶瓷材料有偏铌酸铅(PN)，锆钛酸铅(PZT)和钛酸铅(PT) 3类，偏铌酸铅材料的声阻抗低(Z0-16 x 106 kg/m2·S)机械Q值低(Qm=11)，有利于制作高分辨率的传感器，但厚度机电祸合系数较低(K=42%)，因而灵敏度也较低。锆钛酸铅的声阻抗高(Z0=34 x106kg/m2.s)机械Q也高(Qm=75)，机电藕合系数也高（k1=50%），介电常数也很大〔ε=1500)，因此用此材料制作的气介传感器分辨率也很低。*近研制成的钨钻钛酸铅材料其参数为:K1=52%，e=200, Zo二20 x 106 kg/m3.s.Qm=18，适宜制作高频大面积传感器。由上可知选取材料也是制作气介超声传感器的关键。压电晶体用于气体超声波流量计遇到的主要困难是特性声阻抗失配问题。压电陶瓷体的特性声阻抗Z1=11 x106——30 x106kg/m2.s，空气的特性声阻抗Z2=3.3x102kg/m.s，由下式:
可知，声能透射率约为0.4x10-4通过两个换能器，收到的超声波能量甚微。基于这个原因，对于厚度振动形式传感器常采用多层结构匹配层来改善声阻抗匹配，可选用一层或几层中间材料置于压电晶体与负载介质之间作为祸合层，以提高传输增益。
通常选用适量的聚四氟乙烯细粉与环氧树脂混合加工制成具有较低声阻抗(约为2 x 106kg/m2·s)祸合层，取厚度为d=λ/4较为合适，将其粘在压电传感器的辐射面上，即可达到较好的匹配效果。

气体介质中声波衰减特性是气体超声波流量计的另一个困难。在脉冲式超声波测量技术中，为了保证测量精度，应要求较高的超声波频率，但是因气体本身的薪滞性，热传导等所引起的吸收效应，使介质吸收系数与频率的平方成正比，因此频率又不宜选得过高。所以选用圆板或方板厚度振动的压电传感器，此传感器结构简单，性能稳定，其耐腐蚀性好。这类传感器通常用于近距离报警，测位，气体流里计等的超声监控设备中，其缺点是近场声压不均匀，作用距离不大，一般使用频率范围为100 kHz一1MHz.。

3环境对超声波测量的影响
3. 1空气温度的影响
声波行程时间受气温的影响程度为0. 17%/K.也就是说40℃时的声速相对于20℃时改变了+3. 4%，因此测量距离也会改变约+3. 4%。但如果选用的超声波传感器中有温度补偿功能，此影响可忽略不计。
3. 2空气湿度的影响
从干燥的空气到饱和湿度的空气中，声速*多增加2% o因此测量距离改变*大也只有2%。实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1%。
3. 3空气压力的影响
在一固定地点，正常情况下的气压波动为土5%，会造成声速波动约士0.6%0
3. 4气流的影响
当风速大于50 km/h时，声波速度及方向的改变会大于3%。在现场使用中，.只有靠近被测物表面的几cm的气流有可能大于20 km/h，且垂直于测量方向，故对测量结果的影响可忽略。
3. 5油雾的影响
只要防止油雾沉降在*的有效表面上，就可避免它的影响。
4结论
选择超声波传感器，主要的是对超声波传感器频率的选择，文中列举了频率所影响到的有关的参数，从而为适宜气体介质传感器的频率范围规定了某个选择域。
气介传感器的材料也是影响传感器灵敏度等参数的一个重要方面，文中列举了材料选择对特性阻抗、声波衰减的影响，从而达到优化设备的目的。
以气体为介质的超声技术，作为检测和控制的一种手段，具有简单可靠，抗*力强，适用范围广等特点，在工业生产中的许多场合中应用，往往比光学系统、机械系统、电气系统更为适用。随着对超声波在空气中传播特性的研究和了解及小型高灵敏度超声发送和接收技术的发展，超声检测在气体中的应用也越来越广泛。