引言

      超聲波流量計具有始動流量小、量程比大、壽命長等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于流量計量。超聲波傳感器（以下簡稱傳感器)是超聲波流量計的核心部件之一。流量計量時，一只超聲波流量計需要使用一對傳感器，并共同使用一套信號收發(fā)電路。為保證獲取的時間差準(zhǔn)確，要求一對傳感器轉(zhuǎn)換效率及特性盡可能一致，而只有保證了諧振頻率與反諧振  頻率、諧振阻抗與反諧振阻抗等參數(shù)的一致性，才有可能使得一對傳感器的轉(zhuǎn)換效率相互接近。

      基于阻抗特性的導(dǎo)納圓圖法是有效的測試手段之一，該方法具有精度較髙、操作簡便等優(yōu)點，但是需要人工來判斷諧振頻率數(shù)值，并且需要通過手工計算傳感器其他參數(shù)，所以不適用于在線測量。針對傳感器諧振頻率等參數(shù)對結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度等變化比較敏感的問題，Ghasemi等采用型號分別為TMS320F28355與AD9833的數(shù)字信號 儀與可編程信號發(fā)生器搭建了傳感器諧振頻率的測試裝置，利用測試電壓電流的方法間接計算其阻抗，進而確定諧振頻率。Ne6dSek 等設(shè)計了一款基于ARM阻抗分析儀，其原理是通過測試自動平衡電橋的同步電壓和電流獲得傳感器的阻抗 ，具有速度快、分辨能力強等特點。頻率分辨力為1Hz,頻率測量范圍為50〜5000Hz。

      如上所述，國內(nèi)外學(xué)者對超聲波傳感器的研究更多的是偏向于對傳感器單一參數(shù)測試方法，而對于流量計量而言，還需要有一種測試裝置來在線評價一對傳感器主要參數(shù)的一致性，作為其是否適用于一只流量計的判斷依據(jù)。

1 傳感器特性與分析

1 . 1 諧振與反諧振特性分析

      將超聲波傳感器串接到一個由激勵信號源、采樣電阻組成的測試回路中，當(dāng)激勵信號的頻率變化時，采樣電阻兩端電壓如圖1所示。從圖1 的曲線可以看出，在頻率變化范圍內(nèi)存在兩個頻率點fm、fn，且fm＜fn。當(dāng)激勵信號頻率為fm時電流最大，頻率為fn時電流最小。

Figure 1 The curve diagram of current varing  with frequency

      圖 2 為等效阻抗隨激勵信號頻率變化的曲線圖。其中，fm稱為最小阻抗頻率，其附近會有超聲波傳感器的諧振頻率fr;fn又稱為最大阻抗頻率， 其附近會有反諧振頻率fa。

Figure 2 The curve diagram of impedance  varing with frequency

      超聲波傳感器的機電等效電路如圖3 所示。  其中，C。為傳感器的靜態(tài)電容，L1為傳感器的等效電感，C1為傳感器的等效電容 ; R1為傳感器的等效電阻。由文獻 [ 8 ]可知，傳感器的最小阻抗頻率fm和最大阻抗頻率fn分別為式（1)、（2 )。

Figure 3 Electromechanical equivalent  circuit of ultrasonic sensor

      電路串聯(lián)諧振現(xiàn)象產(chǎn)生于信號頻率fs等于fm時，fs為串聯(lián)諧振頻率；電路并聯(lián)諧振現(xiàn)象產(chǎn)生于信號頻率fp等于fn時，fp為并聯(lián)諧振頻率。

當(dāng)無機械損耗時：

fm= fs = fr , fa = fP = fn   (3)

當(dāng)有機械損耗時：

fm < fs < fr； fa < fP < fn     (4 )

1 . 2 主要參數(shù)對傳感器壓電效應(yīng)的影響

      壓電式超聲波傳感器具有正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，無論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其轉(zhuǎn)換效率高則說明轉(zhuǎn)換過程中能量損耗小。流量計量過程中都期望正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換效率盡可能高一些，即轉(zhuǎn)換后信號幅值與轉(zhuǎn)換前的信號幅值之比大，這樣會更便于轉(zhuǎn)換后小信號的識別，更能保證時間差的計算精確度。

(1)諧振頻率對壓電效應(yīng)影響的分析。如圖3 所示，在諧振頻率點，傳感器等效電路L1，C1，R1等效于一只純電阻，則傳感器等效為R1和Co的并聯(lián)，傳感器轉(zhuǎn)換效率最高; 偏離諧振頻率點較遠時，右側(cè)分支電路L1、C1、R1中就會存在L1 與C1 ，就會因為心與的存在而產(chǎn)生無功功率、減少有功功率。 P = U²/R可知，若阻值不變 ，功率減少，則R1壓降就會減少，進而使傳感器轉(zhuǎn)換效率下降。

(2)靜態(tài)電容對轉(zhuǎn)換效率的影響。根據(jù)電路理論可知，隨著傳感器的靜態(tài)電容的增加，無功功率也將隨之而增加，而激勵信號產(chǎn)生的總功率P=P有+P無是不變的，有功功率與無功功率是此消彼長的關(guān)系。由 P = U²/R可知，傳感器阻抗保持穩(wěn)定時，有功功率的減少會導(dǎo)致輸出電壓降低 ，進而降低了傳感器的轉(zhuǎn)換效率。

1 . 3 聲波收發(fā)特性分析

      超聲波傳感器聲波收發(fā)狀態(tài)是動態(tài)的，振動特性和電信號的響應(yīng)都是時間的函數(shù)，傳感器的動態(tài)特性決定著傳感器的轉(zhuǎn)換效率。流量計量時，傳感器是成對工作的，互為發(fā)送/接收信號，同時信號處理電路也對稱使用，要求傳感器的特性  具有一致性，接收與發(fā)送信號互為交換后，呈現(xiàn)的特性具有較高的相似性，否則將會出現(xiàn)閾值偏差、相位偏差等現(xiàn)象，進而會產(chǎn)生較大的計量誤差。

2 傳感器的測試方法及設(shè)計

2 . 1 測試項目及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

      為保證傳感器的一致性，要針對諧振頻率與反諧振頻率、諧振阻抗與反諧振阻抗、輸出幅值、  靜態(tài)電容、轉(zhuǎn)換效率等進行測試，保證用于同一流量計的一對傳感器主要特性的一致性。圖4為設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖 4 參數(shù)測試裝置整體結(jié)構(gòu)框圖

      針對諧振頻率與反諧振頻率的測試采用傳輸線路法，針對諧振阻抗與反諧振阻抗的測試采用替代法，針對傳感器輸出幅值的測試采用脈沖激勵信號法，針對靜態(tài)電容的測試采用交流容抗法。

2 . 2 信號調(diào)理電路設(shè)計

圖 5 測試裝置硬件總體框圖

2.2. 1 檢 波 電 路

      因為傳感器信號衰減很大且很微弱，同時，接收到的電信號是含有被測量信息的調(diào)制信號，所以需要對再次接收到的電信號進行檢波、濾波、放大等信號調(diào)理。頻率、阻抗和幅值測試選用圖 6 所示的全波檢波電路 1，靜態(tài)電容測試選用圖 7 所示的全波檢波電路2。

圖 6 全波檢波電路 1

圖 7 全波檢波電路 2

      要求裝置產(chǎn)生頻率在 100 kHz〜4. 5 MHz，圖 6的運算放大器AD8063和二極管1N4 1 4 8均為 高速型。

圖 7 中，運放A 與二極管 D5、D6 以及電阻及55和構(gòu)成半波整流部分 ，運放B與電阻R57、R58、R59共同組成一個信號加法器的結(jié)構(gòu)。

2. 2. 2濾波電路

      濾波的目的是濾出檢波后信號存在的髙頻干  擾 ，提取待測傳感器輸出信號的低頻部分。圖 8  為二階壓控電壓源型低通濾波器。

圖 8 二階壓控電壓源型低通濾波器

      根據(jù)基爾霍夫電流定律可知，M 點的電流方程為式（5):

p 點的電流方程為式（6):

聯(lián)立公式（5)和 （6 ) ，可求得R27和R26:

電路中相關(guān)參數(shù)計算與選擇結(jié)果如下：C37 =  lpF、C38 = lnF、R26 = R27 = 1. 2 kΩ、R28 = 4. 7 kΩ、 R45 = 16. 3 kΩ

2 . 3 測試模塊設(shè)計

2. 3. 1 頻率測試模塊 

      如圖 9 所示，信號發(fā)生器給傳感器輸入幅值固定、頻率可變的激勵信號，采樣電阻A 將傳  感器工作電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，諧振頻率點的傳感器工作電流最大、等效阻抗最小，反諧振頻率點的傳感器工作電流最小、等效阻抗最大。所以，通過測試圖9輸出電壓值，就可以求得傳感器的諧振頻率與反諧振頻率。

圖 9 傳感器頻率測試原理

2.3.2 阻抗測試模塊

      如圖10所示，采用替代法，首先讓傳感器與電阻串聯(lián)，利用固定幅值、固定頻率的激勵信號激勵傳感器并測試電阻兩端電壓再讓可調(diào)電阻圪與電阻串聯(lián)，調(diào)整可調(diào)電阻圪阻值使電阻上的電壓，此時可調(diào)電阻的阻值即為傳感器的阻值。

圖 1 0 傳感器阻抗測試原理

2. 3. 3 輸出幅值測試 

      圖 11是一個模擬工況環(huán)境設(shè)計的測試單個傳感器示意圖，由具有一定光潔度的反射底板、能夠固定安裝傳感器的頂板組成。測試時，把傳感器面朝下放置在位于頂板的圓孔上，傳感器經(jīng)過逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)的兩次轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了電信號  (傳感器發(fā)出）一機械波 （介 質(zhì)中傳輸、底板發(fā)  射）一電信號（傳感器接收）的兩次轉(zhuǎn)換。

圖 1 1 傳感器幅值測試示意圖

2 . 3 . 4 靜態(tài)電容測試 

      壓電式超聲波傳感器不加激勵信號時等效為  電容，在此條件下測試得到的電容值即為傳感器  的靜態(tài)電容C。。給傳感器加載低頻激勵信號，通  過 C/ f/轉(zhuǎn)換電路把傳感器靜態(tài)電容值轉(zhuǎn)換成與  之成正比的電壓值。

3 測試結(jié)果及分析

      采用標(biāo)準(zhǔn)儀器與本設(shè)計的測試裝置分別對傳  感器樣品進行測試并比對分析。

(1) 諧振頻率與反諧振頻率：采用頻率特性  測試儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號為SA1005D; 

(2) 諧振阻抗與反諧振阻抗：采用電阻箱、示  波器、函數(shù)信號發(fā)生器作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號分別為  ZX32D.TDS2012C.DG1022U； 

(3) 幅值測試:采用示波器、水浴鍋等作為標(biāo)  準(zhǔn)儀器，示波器型號為TDS2012C ;

(4)靜態(tài)電容:采用LCR測試儀、標(biāo)準(zhǔn)電容盒  作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號分別為TH2811C、ATCDB12。

3 . 1 諧振頻率（阻抗）與反諧振頻率（阻抗）

       連續(xù)進行了 5 次測試實驗，數(shù)據(jù)如表 1 所示。  表中標(biāo)準(zhǔn)儀器測試數(shù)據(jù)記為I，設(shè)計裝置測試數(shù)據(jù)  記為n。由表 1 可知，設(shè)計裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測試結(jié)  果中，諧振頻率的最大偏差值是 3 kHz,出現(xiàn)在第 1、3、4行數(shù)據(jù)中，最大相對誤差為0. 3 % ;反諧振頻  率的最大偏差值也是3 kHz，出現(xiàn)在第5 行數(shù)據(jù)中，  最大相對誤差為0.29%。對比可知，設(shè)計裝置讀數(shù)  穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計要求。

      由表 1 可知，設(shè)計裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測試結(jié)果  中，諧振阻抗的最大偏差值是3 n ，出現(xiàn)在第 5 行  數(shù)據(jù)中，最大相對誤差為 7. 3 % ; 反諧振阻抗的最  大偏差值也是 3 kHz,出現(xiàn)在第 3 行數(shù)據(jù)中，最大  相對誤差為0 . 3 4 %。對比可知，設(shè)計裝置輸出值  穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計要求。

3 . 2 靜態(tài)電容

      設(shè)計裝置靜態(tài)電容測試范圍為1〇〇〜2 400 PF，  用標(biāo)準(zhǔn)電容盒作為標(biāo)定設(shè)備，每隔1〇〇 p F測試一  次結(jié)果、重復(fù)測試 5 次 ，測試數(shù)據(jù)如表 2 所示，為  簡化表格，選取 1〇〇、500、1 500、2 000、2 400 pF  5 個點的數(shù)據(jù)。由 表 2 可知，設(shè)計裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀  器測試結(jié)果中，針對電容盒的 5 個電容值（100、  500、1 000、1 500、2 400 PF) ，標(biāo)準(zhǔn)儀器實測電容  的最大偏差值分別為9、8、18、8、68 PF，最大相對  誤差為 9 % ，出現(xiàn)在第 1 列數(shù)據(jù)中；設(shè)計裝置實測  電容的最大偏差值分別為5、5、10、0、0 PF，最大相  對誤差為 5 % ，也 出 現(xiàn) 在 第 1 列數(shù)據(jù)中。對比可知 ，設(shè)計裝置輸出值穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿  足設(shè)計要求。

3 . 3 發(fā)射幅值與回波幅值 

      表 3 為發(fā)射與接收幅值的5 次測試數(shù)據(jù)。從  表 3 可以看出，因為對輸出信號做了必要的調(diào)整，  所以無論是輸出信號的幅值還是信號的一致性，  設(shè)計裝置都有了很大的改善。設(shè)計裝置對傳感器  輸出信號進行整流濾波放大之后進行讀數(shù)，因此  測試數(shù)據(jù)相對較大。

表 3 發(fā)射幅值與回波幅值實驗數(shù)據(jù)

3 . 4 配對實驗

      實驗方案如圖 1 1所示，以 5 只傳感器為例，  測試條件：1)將樣品放置在設(shè)定溫度的水浴鍋中  加 熱 10 min，使兩者溫度達到一致；2 )設(shè)定水浴  鍋 在 30 t 〜90 T 溫度范圍內(nèi)可調(diào)，測試數(shù)據(jù)取  樣間隔溫度為 10 T ;3)測試對應(yīng)溫度的傳感器  輸出幅值。

自收自發(fā)條件下傳感器輸出幅值的測試數(shù)據(jù)  如表 4 所示，圖 1 2為自收自發(fā)測試數(shù)據(jù)曲線圖。

      由表 4 與 圖 1 2可知，1 號、2 號傳感器特性接  近，3 號、4 號傳感器特性接近。根據(jù)一收一發(fā)測  試數(shù)據(jù)選擇傳感器配對的有效性，將 1 號與 2 號、  3 號與 4 號分別在工況條件下進行互為收發(fā)的配  對實驗，測試結(jié)果如表5 所示。表中“1—2”表示 1 號傳感器發(fā)送信號，2 號傳感器接收信號，圖 13  為一收一發(fā)配對數(shù)據(jù)曲線圖。

圖 1 2 自收自發(fā)數(shù)據(jù)曲線圖

圖 13 —收一發(fā)數(shù)據(jù)曲線圖

      由表 5 與 圖 1 3數(shù)據(jù)分析可知，1 號、2 號傳感  器配對后收發(fā)特性接近，3 號、4 號傳感器配對后  收發(fā)特性接近，而特性接近的傳感器轉(zhuǎn)換效率也接近，信號傳輸過程中衰減也接近,信號處理電路  中信號的上升率與相位移也接近，這樣就可以更  好地保證流量計量精確度。

需要說明的是，流量計量的精確度主要取決  于傳感器，但是與基表管段以及其他工藝條件也  有很大關(guān)系。所以，兩只配對傳感器特性相似度  的量化值，需要在確定的生產(chǎn)工藝、參數(shù)比較穩(wěn)定  的環(huán)境下做標(biāo)定，將標(biāo)定值作為檢測參數(shù)用于生  產(chǎn)實踐中。

4 結(jié)束語

      針對目前超聲波流量計生產(chǎn)過程中存在的因 傳感器性能一致性差而帶來的超聲波流量計精確度不高、產(chǎn)品合格率低等問題，通過理論分析及大量實驗，提出了一種可以用于同一支超聲波流量  計上的一對超聲波傳感器的測試方法，并給出傳  感器配對選擇的依據(jù)，以及給出具體測試的關(guān)鍵  電路設(shè)計方法。實驗數(shù)據(jù)分析證明了理論分析與  具體設(shè)計的有效性，該裝置已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，  生產(chǎn)效率與成品率都有很大提高。

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