超声水流量检测换能器性能指标及试验装置研究

超声水流量检测换能器是超声 水表、超声 流量计及超声热量表等计量表计 的关键核心部件 ，它的技术性能指标 、工 作稳定性 、对环境 影响量 (如环境温度 、湿度 、振动)和被测介质影响量 (如管道内水的温度 、压力变化)的适应性等特性决定 了上述计量表计 的测量准确度和工作稳定性。

目前 ，国内由于缺乏对超声水流量检测换能器性能评价指标、试验方法及其试验装置的研究 ，导致 了此类换能器无法开展必要的全性能基础试验和可靠性评价工作，给超声水计量仪表的长期稳定工作和可靠使用带来了严重隐患。因此，开展超声水流量检测换能器评价指标的研究与全性能试验装置的开发是很有必要的。

1 超声换能器工作原理超声水流量换能器通常采用圆薄片厚度振动模式工作，见图 1；其结构常被设计成图2所示形式。由于大多数超声水流量传感器均工作于时差法测量原理，因此-个换能器需同时兼备发射和接收功能。超声时差法流量仪表的正、逆向传播时间t 、t 及时间差△与被测管道内线平均流速之间的关系如下 ： ( tt) --I--I2sin cos l-2 2-1/式中：D为测量管直径 ； 为测量管 内被测流体线平均速度； 为换能器连线(即超声波传播方向)与测量管轴线之间夹角 ；f 为超声波正 向传播 时间；t：-。为超声波逆向传播时间；At为超声波正、逆向传播时间差。

极/◎ 振子 斋 电元件) -图 1 换 能器压 电元件振 动模 式当发射电路对换能器 1实施-定频率的脉冲波激励时，换能器 1就会向换能器2发射超声波束，同时在时点 start处打开高精度计时器进行计时；换能器 2接收到超声波信号后在规定的信号时点 stop处关闭计收稿 日期 ：2013-04基金项 目：浙江省优先主题重点工业项 目(2010C1 1025)；宁波市重大科研攻关项目(2009B10003)作者简介：姚灵(1953-)，男，教授级高级工程师，研究方向为流量/几何量传感与信号处理技术。

· 2· 仪 表 技 术 2013年第 8期信吸收材料 压电元件图 2 换 能器结构 图时器；超声波从激励至接收的这段传播时间称为正向传播时间，反之则称为逆向传播时问。换能器超声发射至接收的时问序列见图 3示意图。

图 3 超声换能 器发收 时序示 意图由于超声换能器中的电声转换元件大多采用的是PZT(锆钛酸铅压电陶瓷 )材料 ，它的声特性阻抗与被测介质水的阻抗特性相差悬殊 ，因此大部分超声波进入水的界面时就会被反射 ，不 能传 送至接 收换 能器。

阻抗匹配层的作用就是通过声特性阻抗的匹配，使大部分超声波能顺利通过被测介质。为了及时吸收发射超声波的余振信号，在压电元件后通常设置有吸收材料 ，以确保后-次发射的超声波不受前-次的影响。

2 换能器综合性能指标超声换能器的基本特性是要保证发射换能器在发射脉冲信号激励下能够长期稳 定发送超声波 ，并在阻抗匹配层配合下，使超声波能以最大能量通过被测介质抵达接收换能器；接收换能器应将接收 到的超声波转化成稳定的电信号送至信号处理电路。简言之，超声换能器的主要作用是 起到 电-声”和 声 -电”转换，并保证每次转换过程的-致和稳定。从实际使用情况看，更应关注换能器的综合性能指标。

1)传播时间的稳定性在声速恒定(即介质温度不变)、测量管几何尺寸不变条件下，传播时间和时间差均为管道内流体线平均流速 的函数，它们能间接反映出管内流速乃至流量、累计流量的数值。因此在规定时间段内测量-组换能器的传播时间及时间差的变化量就能综合判别出超声换能器实际工作的稳定性及可靠性。

2)频率与幅值 的稳定性任何 由压电元件构成的超声换能器均有 自身谐振频率，当换能器工作于谐振频率时，可以取得最好的发射及接收效果。

当压电元件的几何尺寸和材料确定后，其中心频率就基本恒定；同时，当换能器和测量管的几何尺寸、阻抗匹配材料特性、发射激励信号强度及频率、工作环境温、湿度等均不变时，接收换能器的输出幅值也会保持基本不变。

频率与幅值特性指标不能随时间发生变化，即换能器的时漂”要足够校这些指标是决定 超声波传播 时间-致与稳定的决定 因素 。

3)耐环境影响特性换能器工作时会受到环境条件的影响，如气候环境的温度 、湿度等变化影响 ；机械环境的振动 、冲击等影响；电磁环境的静电放电、电脉冲群 、静磁场 、电磁场等影响。尤其是温度和湿度变化非常容易引起被测介质、压电元件材料、阻抗匹配材料以及金属材料等的特性变化 ，产生所谓的温漂”与湿漂”。因此换能器能否承受环境条件变化的影响，是决定换能器长期工作可靠性的重要指标 。

4)耐介质影响特性换能器工作时同样会受到被测介质温度变化和压力变化等的影响。如 ：被测介质温度变化会导致超声波传播速度变化和换能器外壳几何 尺寸变化 ，介质压力变化会导致换能器中压电元件和阻抗匹配层特性和形状发生变化。由此可见 ，换能器耐介质影响的特性也是十分重要的。

3 性能试验装置设计为满足换能器上述综合性能指标要求，超声水流量检测换能器试验装置应具有 以下功能和基本结构。

1)主要功能换能器性能试验装置可 以对检测换能器的三类主要指标开展测量与试验 ：第-，在额定条件下，对正/逆向传播时问及时间差、传播时间及时间差的时漂与温漂，以及被测介质水温与压力改变的试验 ；第二，在环境参数改变条件下的试验，主要有气候环境条件下的温度和湿度改变、机械环境条件下的振动影响等；第三，换能器固有特性的试验，如：接收中心频率、输出幅值、机械品质因素、静态电容、指向性等。

根据试验得到的换能器固有特性，同时参考额定条件和环境影响条件下的某些指标，对换能器进行性能配对。

2013年第 8期 仪 表 技 术 ·3·2)基本结构性能试验装置设计成台式，便于在室内使用。试验装置主要由实流模拟单元、环境模拟单元、性能测量单元及保温封闭管路等组成。其中，实流模拟单元由水流体驱动及消振部件、流量调节机构、流量稳定机构、流量测量部件、水温调节与测控部件等组成；环境模拟单元由环境温度、湿度、振动量调节与控制部件、环境及时间参数测量部件、环境试验程序、环境试验箱体等组成；性能测量单元由测量台架、角度调整机构 、换能器综合特性测量部件等组成。试验装置功能示意图见图4。

实流模拟单元流量 流量 流体 压力 水温 测控 稳定- H 驱动部件 - 测控 测控 部件 部件 部件 部件环境模拟单元 ：i 性能测量单元I- - - - - - ～ - - - - - - - - - ～ - - j L- ----------- ---图 4 换能 器性能试验装置功 能示意图全性能试验装置的试验项目可以覆盖到与超声水 定工作创造了有利条件。