超声波气体流量计中传感器参数选择

　　0引言

　　文中拟采用的超声波传感器适用于时差法原理的气体流量测量，适用于大管径气体流量的高精度测量(管径范围可达DN100一DN1600，其中DN表管道内径，单位:~)，测量精确度高，可达t0.5%，重复性高，可达0. 1 %;其测量方式为接触式，信号输出方式为电压输出。

　　超声波传感器也称探头，在此超声波流量测量中它主要利用超声波束在流动气体中顺流和逆流传播所用时间不同来测量流量的。

　　超声波传感器的核心是压电晶片，其工作原理是基于压电材料的压电效应(承受应力时能在材料中产生电场，称正效应;而承受电场时材料又会产生应力和应变，称逆效应)，逆效应用于超声波的发射，正效应用于超声波的接收。

　　超声换能器是一种能量转换器件，其性能描述与评价需要许多参数，超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电祸合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、指向性、发射及接收灵敏度等。不同用途的换能器对性能参数要求不同。超声能量在不同物质界面上的传播透射率与两者的声阻抗有关，声阻抗定义为材料密度和内部声速的乘积。在气体的输送过程中，不可避免地存在压力波动并引起密度变化，从而引起声阻抗以及声波透射率变化，最明显的表现就是波形幅值不稳定。

　　1超声波传感器频率选择

　　气体的超声检测技术中关键部件就是超声波换能器(超声波传感器)，由于气体中高频声能强烈衰减，因而要求传感器应具有较高的转换效率，其工作频率又不能太高。下面主要介绍通常在气体介质中应用的超声传感器频率选择。

　　1.1振荡频率的产生

　　气体中超声频率取决于电声换能器的电频率。发射超声波的常用材料有钦酸钡、错钦酸铅等压电材料。压电晶体的固有频率为

　　式中:n=1, 2, 3,……，为谐波的级数;d为晶片厚度;E为杨氏模量;P为压电材料的密度。

　　当外加于晶体的交变电压的频率等于其固有频率时，产生共振，此时产生的超声波能量最大。

　　压电效应换能器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波。

　　1.2超声波能f衰减与频率的关系

　　超声波穿过介质的距离越大，能量衰减越大。若通过介质距离一定，超声波的频率越大，能量衰减越大。假设超声波进入介质的强度为Io、声压为Po，通过介质后的强度为I、声压为P，则

　　式中:d为介质的厚度;A为介质对超声波能量的吸收系数。

　　式中:f为超声波频率;P为介质密度;c为声速;为介质薪滞系数;X为介质热导系数;Cv为介质定容比热;Cp为介质定压比热。