超声换能器辐射电导测量不确定度分析

　　0引言

　　超声技术的应用范围很广，从医疗的诊断与治疗到工业生产的各种加工与无损检测，从生物工程的种子处理与大分子剪切到国防工程的各种遥测与通信，从环保工程的有机物污染处理到信息产业的各种振荡器件等。超声波流量计广泛用于包括电厂的工业企业，用于计量天然气、蒸汽、水等计量。其工作原理是利用超声波可以透过物体的特性，在流体管道外设置超声波发送和接收装置(发送装置一般简称超声换能器)，以测量管内流体流速。针对不同的流速、介质和工况，超声换能器输出适当的功率可使测量准确度提高;但由于缺乏工业用的功率检测装置，使超声收发装置的声参数的定量测量受到了制约。医院用的B型医用超声诊断仪超声源(B超)也带有一个超声换能器，由于输出过大的超声功率将会对人体尤其是胎儿产生不良影响，因此，输出的功率大小要受到严格的控制[1-3]。

　　1毫瓦级超声功率装置介绍

　　1986年，我国建立了完整体系的超声功率检测装置。各类超声换能器所发出的超声功率可直接用全国最高准确度的毫瓦级国家超声功率基准装置(见图1)来进行检测来进行检测[5-6]。

　　作者从2004年11月开始主持对超声功率国家基准进行改造，独立研制了采用铌酸锂单晶为压电材料的标准超声换能器(见图2)。2007年5月改造完成后，经国家质检总局主持召开的基准改造课题验收会和鉴定会鉴定，专家组一致认为：毫瓦级和瓦级超声功率国家基准装置的准确度从5%、k=2提高到3%、k=2;采用铌酸锂晶体研制的标准超声换能器，以及阻抗匹配器和介质温度测量等测量设备，具有创新性;该项目达到国际先进水平。课题获2007年广东省“科学技术奖三等奖”和2007年国家质量监督检验检疫总局“科技兴检奖三等奖”。

　　标准换能器的性能好坏直接影响超声功率量值传递的准确性。辐射声导大小、输入输出线性度与辐射电导稳定性是表征和考核标准换能器最重要的技术性能指标。对于本工作研究的铌酸锂换能器是否能作为标准换能器，取决于这几项性能的准确表征及换能器输出超声功率的准确测量。

　　毫瓦级标准换能器的辐射电导是通过毫瓦级超声功率国家基准来标定的。下面分析标定过程中的测量误差。

　　2毫瓦级超声功率基准超声功率测量不确

　　定度分析

　　经改造后的毫瓦级超声功率基准的超声功率测量范围为1～1000mW，现以测量1.9MHz(1mW、100mW、1000mW)和10.5MHz(10mW)点的超声功率为例分析本装置的测量不确定度。

　　2.1数学模型及灵敏系数