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流體液位高度h0的測量。如圖l所示，測得h1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h0=h-h1，再根據流量計算公式q=Kh0n（K，n為設定參數）即可得到液體流量。

 

 

 

      超聲傳感器在微機控制下，發射和接收超聲波，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h1，在超聲波傳播速度c已知的情況下，可根據下式計算出超聲傳感器距離被測液面的距離h1：

 

            （1）

 

      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生高頻振蕩，發射超聲波，并將自液面反射回來的超聲波回波信號轉換成電壓信號。

 

      2 超聲傳感器設計

 

      傳感器的結構如圖2所示，超聲波在氣介質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。

 

 

 

      為了設計聲學匹配層的厚度，必須了解聲波在不同介質中傳播時其通過介面的透過率在什么情況下最大。當聲波介質（1）垂直人射到介質（2）的情況下（見圖3），假設介質無吸收，其透過率τ只與兩種介質的特性聲阻抗Z0有關：

 

      τ=透過聲波強度/人射聲波強度

 

             （2）

 

      反射率為γ=1-τ      （3）

 

      式中：Z1為介質（1）對超聲渡的聲阻抗，Z1=ρ1c1；Z2為介質（2）對超聲渡的聲阻抗，Z2=ρ2c2；ρ1為介質（1）的密度；ρ2為介質（2）的密度，c1為超聲波在介質（1）中的傳播速度；c2為超聲波在介質（2）中的傳播速度。

 

 

 

      當Z1=Z2時，由式（2）和式（3）得超聲波的透過率τ=1，反射率γ=0。

 

      氣介式超聲傳感器是向空氣發射超聲波，且發射面多為金屬材質。在這種情況下，介質（1）的聲阻抗Z1大干介質（2）的聲阻抗Z2，用式（2）計算可發現傳感器透過率太小，傳感器的發射、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，傳感器發射的聲波從金屬介質（1）透過匹配層介質（2）傳到空氣介質（3），如圖4所示。

 

 

 

      根據聲學理論，透過率τ除與介質的特性聲阻抗有關外，還與聲學匹配層介質（2）的厚度及工作頻率有關。其表達式為

 

      τ=4Z1Z3[（Z1+Z3）2cos2（K2l）+（Z2 + Z3Z1/Z2）2sin2（K2/l）] -1      （4）

 

      式中：Z1=ρ1c1；Z2=ρ2c2；Z3=ρ3c3； K2=2πf/c2；f 為工作頻率；l為介質（2）的厚度，這里代表聲學匹配層的厚度。

 

      假設Z1=  ；l=λ/4；λ=C2/f，λ為波長，代人式（4）后，可得到透過率τ=1，因此合理選擇匹配層材質的聲阻抗Z2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射與接收電路

 

      信號發射和接收電路設計的優劣是使超聲傳感器得到最佳發揮的基礎，直接涉及到流量測量的準確與否。發射、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，另外一些信號抵消而使接收波減弱。如果接收、發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，補償由于明渠液面波動及液面懸浮物的影響。

 

 

 

      圖6中，a是微機給出的發射控制信號波形：b是在200μs的寬度內，振蕩器產牛的高頻振蕩波形；c是功放輸出（峰-峰值為350 V）超聲傳感器上，使超聲傳感器在這個電壓激勵下發射超聲波；d是由超聲傳感器接收的回波信號波形U，送入放大器進行放大；e是放大檢波后的輸出波形。該波形始終是動態變化的，放大器輸出波形幅值經信號處理，若大于某電平時，就迫使放大器的放大倍數減小，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。但經自動增益控制后，放大器輸出的波形幅值最大在A電子以下，最小在B電平以上。使接收回波的幅值在一個較小的變化范圍內（0.4）變化，從而提高了儀表測量準確度。

 

      圖6F是給微機的計時終止信號波形。當放大器輸出波形的幅值大于圖6e中E電平時信號處理就輸出圖6F中的計時終止信號。在微機給傳感器起動信號的同時開始計時，收到計時終止信號后計時終止，這樣微機可測出超聲波的傳播時間t。

 

      4 應用

 

      實踐證明，聲匹配技術是提高氣分超聲傳感器發射、接收靈敏度的有效而簡便的方法、只要合理選擇匹配層的材料及厚度，傳感器的發射、接收靈敏度就能大幅度提高，一般可提高兩個數量級。

 

      超聲傳感器的發射、接收靈敏度提高后。接收回波信號的信噪比有了明顯改善。實踐表明超聲明渠流量計具有較高的可靠性和較強的抗干擾能力、可在強噪聲、粉塵、水汽液面波動、氣流擾動等惡劣環境中穩定、可靠地工作、該成果已在我所研制的LYS-20超聲明渠流量計的應用中收到良好效果。

 

      參考文獻

 

      [1] 趙順剛 氣介超聲換能器聲匹配的應用 自動化表、1995.16 （12）

      [2] L 別爾格曼，著. 超聲.曹大文，顧林根，等譯，北京：國防工業出版社.1964

      [3] JJG711-90 明渠堰槽流量計試制檢定規程