摘要：簡單敘述了超聲傳感器用于明渠流量計的測量原理。對超聲傳感器的設計作了詳細分析,特別對氣介式超聲傳感器為提高靈敏度而增加聲學匹配層作了研究,推出合理選擇匹配層材質(zhì)聲阻抗和匹配層厚度的計算公式。另對信號發(fā)射與接收電路的設計也作了詳細介紹。
 超聲傳感器是超聲明渠流量計的重要組成部分,其關鍵是超聲傳感器對堰槽內(nèi)流體液位高度瓦的測量。如圖1所示,測得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)流量計算公式q二從a“(K,n為設定參數(shù))即可得到液體流流量。

圖1超聲明果流量計工作原理
超聲傳感器在微機控制下,發(fā)射和接收超聲波,并由超聲波的傳播時間t來計算超聲傳感器距被測液面的距離h;,在超聲波傳播速度。已知的情況下,可根據(jù)下式計算出超聲傳感器距離被測液面的距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、超聲傳感器設計：
 傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,超聲波在氣介質(zhì)中傳播強度衰減較嚴重,而且在明渠流量計時因被測對象是流動的液面,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,這需要加聲學匹配層。

圖2傳感器結(jié)構(gòu)

為了設計聲學匹配層的厚度,必須了解聲波在不同介質(zhì)中傳播時其通過介面的透過率在什么情況下***大。當聲波從介質(zhì)(1)垂直入射到介質(zhì)(2)的情況下(見圖3),假設介質(zhì)無吸收,其透過率:只與兩種介質(zhì)的特性聲阻抗aZ有關：

圖3超聲波透過二種介質(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21二幾時,由式(2)和式(3)得超聲波的透過率: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匹配層,以進行聲阻抗匹配。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超聲波透過三種介質(zhì)的情況

根據(jù)聲學理論,透過率:除與介質(zhì)的特性聲阻抗有關外,還與聲學匹配層介質(zhì)(2)的厚度及工作頻率有關。其表達式為:=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度和接收回波信號的強度。
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)射和接收電路設計的優(yōu)劣是使超聲傳感器得到***佳發(fā)揮的基礎,直接涉及到流量測量的準確與否。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)會形成多次反射,造成某些點信號疊加而使接收波增強,另外一些點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,就會得到大小不一的接收波,在波形處理上,尤其在觸發(fā)時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,由于微處理機的應用,可通過對聲波的振蕩器的控制,設立接收波“窗口”,自動跟蹤接收波的位置,將一切在接收波到達前的干擾脈沖濾掉,并通過與之相配的算法軟件,補償了由于明渠液面波動及液面懸浮物的影響。
 發(fā)射、接收電路的波形及說明如圖 6所示。圖6中,a是微機給出的發(fā)射控制信號波形;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電壓激勵下發(fā)射超聲波;d是由超聲傳感器接收的回波信號波形U,送人放大器進行放大;e是放大檢波后的輸出波形。該波形始終是動態(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,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。當放大器的波形低于某電平時,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際條件,如粉塵、氣流擾動、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，使接收圓波的幅值在一個較小的變化范圍內(nèi)(0.})變化.從而提高了儀表測***準確度。
  圖6f是給徽機的計時終止信號波形。當放大器輸出波形的福值大于圖6e中E電平時俏號處理就物出圖6f中的計時終止信號。在徽機給傳感器起動信號的同時開始什時，收到計時終止信號后計時終止。這祥徽機可側(cè)出超聲波的傳播時同‘。
4、應用：實踐證明，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，接收回波信號的信噪比有了明顯改善，實跳表明超聲明集流扭計具有較高的可寡性和較強的抗干擾能力，可在強澡聲、粉塵、水汽液面波動、氣流擾動等惡劣環(huán)境中稱定、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的應用中收到良好效果。