液位计用压电换能器选型探讨

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本文只针对压电换能器本身参数、指标对液位计整机性能的影响进行分析，而不包括积算仪部分可能存在的各种不确定因素。

1 频 率压电换能器工作频率的选择需要从两个方面进行考虑。首先，对于测量型仪表，要求换能器所发射声场指向性好，为了得到较好的声场指向性 l，需要将换能器的工作频率设定在-个较高的水平；然而由于声波在介质中传播的能量损耗与声波的频率成正比，为扩大测量范围，其换能器工作频率不能太高。综合上面两个因素，换能器工作频率设定需要权衡声场指向性与仪表所需测量范围之间的矛盾关系来确定换能器的工作频率。

2 机械品质因数 Q压电元件在谐振时，要克服内摩擦而产生能量损耗，机械品质因数Q 就是衡量该能量大小的。Q 是压电换能器的-个重要设计参数，也与压电元件谐振模式有关。Q 与机械损耗成反比，Q 越大，机械损耗越小，能量衰减越慢，通频带越低。其数学表达式为：- 1丽 (1)式中，C。为静态电容；c 为动态电容； 为通频带；为动态电阻。

不同压电换能器对压电陶瓷的Q 值有不同的要求，多数陶瓷滤波器要求压电陶瓷的Q 值要高，而音响元件及接收型换能器则要求 Q 要低，超声波液位计用压电换能器典型要求是窄脉冲，高带宽，因此要求Q 值较低，原因如下：(1)高通频带要求作为收发两用型换能器，-般情况下声波发射状态 (逆压106收稿日期：2013-05-11电效应)在串联谐振频率附近，而声波接收状态 (正压电效应)在并联谐振频率附近。为了扩大换能器的通频带尤其是接收灵敏度，要求e和e都较小，且两者之间的关系满足 Q >Q ，如图1所示。

图1 品质因数关系(2)测量分辨率要求V籼 图2 最小分辨率影响因素示意图如图2所示，t1时间内是激励换能器的电脉冲群，t2时间内是伴随电脉冲群激励换能器而产生的应电压v，在实际应用中是作为噪声来处理的，t3时间内是超声回波信号。液位计最低分辨率 (最小测量距离)是由t2时间的长短决定的 (积算仪时间测量单元系统时钟引起的原理性误差除外)。数学表达式为：L(t2xV1/2 (2)式中，L为物位计最低分辨率，t2为图2中所示的伴随激励而产生的应电压的持续时间，v为声波在介质中的传输速度。

通过上式可以看出，t2持续时间的长短直接影响物位计最低分辨率。

上述两个因素均要求换能器 Q 值较校为了减谢能器的Q 值。