摘要：簡(jiǎn)單敘述了超聲傳感器用于明渠流量計(jì)的測(cè)量原理。對(duì)超聲傳感器的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)分析,特別對(duì)氣介式超聲傳感器為提高靈敏度而增加聲學(xué)匹配層作了研究,推出合理選擇匹配層材質(zhì)聲阻抗和匹配層厚度的計(jì)算公式。另對(duì)信號(hào)發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)也作了詳細(xì)介紹。
 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(duì)堰槽內(nèi)流體液位高度瓦的測(cè)量。如圖1所示,測(cè)得h;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ha=h一hl,再根據(jù)流量計(jì)算公式q二從a“(K,n為設(shè)定參數(shù))即可得到液體流流量。

圖1超聲明果流量計(jì)工作原理
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(lái)計(jì)算超聲傳感器距被測(cè)液面的距離h;,在超聲波傳播速度。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(cè)液面的距h；
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(lái)的超聲波回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。
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(cè)對(duì)象是流動(dòng)的液面,這就使超聲傳感器的發(fā)射、接收信號(hào)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。

圖2傳感器結(jié)構(gòu)

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(guò)介面的透過(guò)率在什么情況下***大。當(dāng)聲波從介質(zhì)(1)垂直入射到介質(zhì)(2)的情況下(見(jiàn)圖3),假設(shè)介質(zhì)無(wú)吸收,其透過(guò)率:只與兩種介質(zhì)的特性聲阻抗aZ有關(guān)：

圖3超聲波透過(guò)二種介質(zhì)的情況
的密度;p:為介質(zhì)(2)的密度,。.為超聲波在介質(zhì)(l)中的傳播速度;。:為超聲波在介質(zhì)(2)中的傳播速度。當(dāng)21二幾時(shí),由式(2)和式(3)得超聲波的透過(guò)率:二1,反射率y=o0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)(l)的聲阻抗21大于介質(zhì)(2)的聲阻抗幾,用式(2)計(jì)算可發(fā)現(xiàn)傳感器透過(guò)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)(l)透過(guò)匹配層介質(zhì)(2)傳到空氣介質(zhì)(3),如圖4所示。

圖4超聲波透過(guò)三種介質(zhì)的情況

根據(jù)聲學(xué)理論,透過(guò)率: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:=42
材質(zhì)的聲阻抗幾及匹配層厚度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(hào)的強(qiáng)度。
3、與超聲傳感器相匹配的信號(hào)發(fā)射與接收：電路信號(hào)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***佳發(fā)揮的基礎(chǔ),直接涉及到流量測(cè)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(chǎng)合,聲波在觀測(cè)井內(nèi)會(huì)形成多次反射,造成某些點(diǎn)信號(hào)疊加而使接收波增強(qiáng),另外一些點(diǎn)信號(hào)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(cè)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(hào)大小保持恒定,有效地提高了儀表對(duì)液位的測(cè)量精度。此外,由于微處理機(jī)的應(yīng)用,可通過(guò)對(duì)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(guò)與之相配的算法軟件,補(bǔ)償了由于明渠液面波動(dòng)及液面懸浮物的影響。
 發(fā)射、接收電路的波形及說(shuō)明如圖 6所示。圖6中,a是微機(jī)給出的發(fā)射控制信號(hào)波形;b是在2印娜的寬度內(nèi),振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩波形;C是功放輸出(峰一峰值為350V)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(hào)波形U,送人放大器進(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(hào)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(hào)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***圖6發(fā)封、接收電路波形大在A電平以下，***小在B電平以上，使接收?qǐng)A波的幅值在一個(gè)較小的變化范圍內(nèi)(0.})變化.從而提高了儀表測(cè)***準(zhǔn)確度。
  圖6f是給徽機(jī)的計(jì)時(shí)終止信號(hào)波形。當(dāng)放大器輸出波形的福值大于圖6e中E電平時(shí)俏號(hào)處理就物出圖6f中的計(jì)時(shí)終止信號(hào)。在徽機(jī)給傳感器起動(dòng)信號(hào)的同時(shí)開(kāi)始什時(shí)，收到計(jì)時(shí)終止信號(hào)后計(jì)時(shí)終止。這祥徽機(jī)可側(cè)出超聲波的傳播時(shí)同‘。
4、應(yīng)用：實(shí)踐證明，聲匹配技術(shù)是提高氣介超聲傳感器發(fā)射、接收靈敬度的有效而簡(jiǎn)便的方法。只要合理選擇匹戈層的材料及厚度，傳感器的發(fā)射、接收靈橄度就能大帳度提高，一般可提高兩個(gè)數(shù)超聲傳感器的發(fā)射、接收靈敏度提高后，接收回波信號(hào)的信噪比有了明顯改善，實(shí)跳表明超聲明集流扭計(jì)具有較高的可寡性和較強(qiáng)的抗干擾能力，可在強(qiáng)澡聲、粉塵、水汽液面波動(dòng)、氣流擾動(dòng)等惡劣環(huán)境中稱(chēng)定、可麟地i作.該成果已在我所研制的},xs一勸翅聲明茱流且計(jì)的應(yīng)用中收到良好效果。