超聲傳感器是超聲明渠流量計(jì)的重要組成部分，其關(guān)鍵是超聲傳感器對堰槽內(nèi)流體液位高度h0的測量。如圖l所示，測得h1后，因超聲傳感器距離流量堰槽底面的高度為一確定值h，故可算出液位高度h0=h-h1，再根據(jù)流量計(jì)算公式q=Kh0n（K，n為設(shè)定參數(shù)）即可得到液體流量。

 

 

 

      超聲傳感器在微機(jī)控制下，發(fā)射和接收超聲波，并由超聲波的傳播時(shí)間t來計(jì)算超聲傳感器距被測液面的距離h1，在超聲波傳播速度c已知的情況下，可根據(jù)下式計(jì)算出超聲傳感器距離被測液面的距離h1：

 

            （1）

 

      超聲傳感器的核心元件是壓電陶瓷，它利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻振蕩，發(fā)射超聲波，并將自液面反射回來的超聲波回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

 

      2 超聲傳感器設(shè)計(jì)

 

      傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，超聲波在氣介質(zhì)中傳播強(qiáng)度衰減較嚴(yán)重，而且在明渠流量計(jì)時(shí)因被測對象是流動(dòng)的液面，這就使超聲傳感器的發(fā)射、接收信號很微弱。因此．為保證儀表的可靠工作，傳感器必須有足夠的靈敏度，這需要加聲學(xué)匹配層。

 

 

 

      為了設(shè)計(jì)聲學(xué)匹配層的厚度，必須了解聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)其通過介面的透過率在什么情況下最大。當(dāng)聲波介質(zhì)（1）垂直人射到介質(zhì)（2）的情況下（見圖3），假設(shè)介質(zhì)無吸收，其透過率τ只與兩種介質(zhì)的特性聲阻抗Z0有關(guān)：

 

      τ=透過聲波強(qiáng)度/人射聲波強(qiáng)度

 

             （2）

 

      反射率為γ=1-τ      （3）

 

      式中：Z1為介質(zhì)（1）對超聲渡的聲阻抗，Z1=ρ1c1；Z2為介質(zhì)（2）對超聲渡的聲阻抗，Z2=ρ2c2；ρ1為介質(zhì)（1）的密度；ρ2為介質(zhì)（2）的密度，c1為超聲波在介質(zhì)（1）中的傳播速度；c2為超聲波在介質(zhì)（2）中的傳播速度。

 

 

 

      當(dāng)Z1=Z2時(shí)，由式（2）和式（3）得超聲波的透過率τ=1，反射率γ=0。

 

      氣介式超聲傳感器是向空氣發(fā)射超聲波，且發(fā)射面多為金屬材質(zhì)。在這種情況下，介質(zhì)（1）的聲阻抗Z1大干介質(zhì)（2）的聲阻抗Z2，用式（2）計(jì)算可發(fā)現(xiàn)傳感器透過率太小，傳感器的發(fā)射、接收效率太低為了提高傳感器向空氣中的輻射能量，必須在輻射面上加聲學(xué)匹配層，以進(jìn)行聲阻抗匹配。

 

      加了聲阻抗匹配層之后，傳感器發(fā)射的聲波從金屬介質(zhì)（1）透過匹配層介質(zhì)（2）傳到空氣介質(zhì)（3），如圖4所示。

 

 

 

      根據(jù)聲學(xué)理論，透過率τ除與介質(zhì)的特性聲阻抗有關(guān)外，還與聲學(xué)匹配層介質(zhì)（2）的厚度及工作頻率有關(guān)。其表達(dá)式為

 

      τ=4Z1Z3[（Z1+Z3）2cos2（K2l）+（Z2 + Z3Z1/Z2）2sin2（K2/l）] -1      （4）

 

      式中：Z1=ρ1c1；Z2=ρ2c2；Z3=ρ3c3； K2=2πf/c2；f 為工作頻率；l為介質(zhì)（2）的厚度，這里代表聲學(xué)匹配層的厚度。

 

      假設(shè)Z1=  ；l=λ/4；λ=C2/f，λ為波長，代人式（4）后，可得到透過率τ=1，因此合理選擇匹配層材質(zhì)的聲阻抗Z2及匹配層厚度l，可大幅度提高傳感器向空氣中的輻射強(qiáng)度和接收回波信號的強(qiáng)度。

 

      3 與超聲傳感器相匹配的信號發(fā)射與接收電路

 

      信號發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是使超聲傳感器得到最佳發(fā)揮的基礎(chǔ)，直接涉及到流量測量的準(zhǔn)確與否。發(fā)射、接收電路方框圖如圖5所示。

 

 

 

      超聲波接收波的強(qiáng)弱受多種因素影響，一方面隨著距離的增加接收波衰減較大；另一方面在近距離，特別是在帶有觀察井的堰槽的場合，聲波在觀測井內(nèi)會(huì)形成多次反射．造成某些點(diǎn)信號疊加而使接收波增強(qiáng)，另外一些信號抵消而使接收波減弱。如果接收、發(fā)射電路使用固定的增益，就會(huì)得到大小不一的接收波，在波形處理上．尤其在觸發(fā)時(shí)刻的選取上將造成很大影響，直接影響儀表的測量精度。接收、發(fā)射電路使用了自動(dòng)增益。使處理后的信號大小保持恒定，有效地提高了儀表對液位的測量精度。此外，由于微處理機(jī)的應(yīng)用．可通過對聲波的振蕩器的控制設(shè)立接收波“窗口”，自動(dòng)跟蹤接收波的位置，將一切在接收波到達(dá)前的干擾脈沖濾掉，并通過與之相配的算法軟件，補(bǔ)償由于明渠液面波動(dòng)及液面懸浮物的影響。

 

 

 

      圖6中，a是微機(jī)給出的發(fā)射控制信號波形：b是在200μs的寬度內(nèi)，振蕩器產(chǎn)牛的高頻振蕩波形；c是功放輸出（峰-峰值為350 V）超聲傳感器上，使超聲傳感器在這個(gè)電壓激勵(lì)下發(fā)射超聲波；d是由超聲傳感器接收的回波信號波形U，送入放大器進(jìn)行放大；e是放大檢波后的輸出波形。該波形始終是動(dòng)態(tài)變化的，放大器輸出波形幅值經(jīng)信號處理，若大于某電平時(shí)，就迫使放大器的放大倍數(shù)減小，放大器的輸出波形的幅值降低。當(dāng)放大器的波形低于某電平時(shí)，迫使放大器放大倍數(shù)增加，放大器的輸出波形幅值增大。超聲傳感器接收的回波信號隨工況的實(shí)際條件，如粉塵、氣流擾動(dòng)、反射面的狀況及傳感器到液面的距離變化而變化。但經(jīng)自動(dòng)增益控制后，放大器輸出的波形幅值最大在A電子以下，最小在B電平以上。使接收回波的幅值在一個(gè)較小的變化范圍內(nèi)（0.4）變化，從而提高了儀表測量準(zhǔn)確度。

 

      圖6F是給微機(jī)的計(jì)時(shí)終止信號波形。當(dāng)放大器輸出波形的幅值大于圖6e中E電平時(shí)信號處理就輸出圖6F中的計(jì)時(shí)終止信號。在微機(jī)給傳感器起動(dòng)信號的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，收到計(jì)時(shí)終止信號后計(jì)時(shí)終止，這樣微機(jī)可測出超聲波的傳播時(shí)間t。

 

      4 應(yīng)用

 

      實(shí)踐證明，聲匹配技術(shù)是提高氣分超聲傳感器發(fā)射、接收靈敏度的有效而簡便的方法、只要合理選擇匹配層的材料及厚度，傳感器的發(fā)射、接收靈敏度就能大幅度提高，一般可提高兩個(gè)數(shù)量級。

 

      超聲傳感器的發(fā)射、接收靈敏度提高后。接收回波信號的信噪比有了明顯改善。實(shí)踐表明超聲明渠流量計(jì)具有較高的可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力、可在強(qiáng)噪聲、粉塵、水汽液面波動(dòng)、氣流擾動(dòng)等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作、該成果已在我所研制的LYS-20超聲明渠流量計(jì)的應(yīng)用中收到良好效果。

 

      參考文獻(xiàn)

 

      [1] 趙順剛 氣介超聲換能器聲匹配的應(yīng)用 自動(dòng)化表、1995.16 （12）

      [2] L 別爾格曼，著. 超聲.曹大文，顧林根，等譯，北京：國防工業(yè)出版社.1964

      [3] JJG711-90 明渠堰槽流量計(jì)試制檢定規(guī)程