新型超声多普勒流量计探头的设计

　　超声多普勒探头，即换能器是多普勒流量计的传感原件，通常安装在被测流体的管道外部，不接触被测流体，不干扰流体的流动，无压力损失，维修方便，特别适用于有毒、有害、有腐蚀性和带有磨料的液体。其突出优点是可实现高分辨率，对流速变化响应快，对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感，没有零点漂移问题。它直接影响流量计的测量准确度，因此无论是流量计的设计制造者还是使用部门，对换能器的选型、材料、结构、工艺及安装都非常重视，渴求获得精度高、性能稳定的传感器。

　　1 超声传感器

　　超声传感器，也即超声换能器，是产生超声波和接收超声波的装置，是超声定位系统中的重要组成部分。

　　通常所说的超声传感器是指电声换能器，是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。用来发射声波的传感器称为发射器，当传感器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能来接收声波的传感器称为接收器，当传感器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声传感器的工作原理大体是相同的，通常都有一个电储能元件和一个机械振动系统。当用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起传感器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化对传感器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与传感器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射超声波。接收超声波的过程正好与此相反，在接收超声波的情况下，外来超声波作用在传感器的振动面上，从而使传感器的机械振动系统发生振动，借助于物理效应引起传感器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起传感器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。通过对电压或是电流信号的数字处理，获取所需信息。超声多普勒流量计探头正是应用这种原理制造的。

　　2 超声多普勒流量计探头结构

　　超声多普勒流量计的外夹式探头，测量、安装和维修均不影响管道流体状态，无流动压力损失，且便携性好，拆卸方便。其探头结构示意图如图1所示。

　　探头壳体用铝制成，上有凹面槽，便于用固定带外夹捆绑安装在管道外壁上。

　　压电换能器晶片采用性能优良的压电陶瓷材料PsnN-51。压电晶片为薄圆片型，沿厚度方向振动，产生的超声波为纵波。该压电陶瓷灵敏度和居里温度高、各种参数时间稳定性好，具有较高的介电常数和机电耦合系数，非常适用于高温高压环境下的超声多普勒流量测量。

　　探头中填充的背衬材料选用硅胶，为高阻抗、高衰减的吸声材料，可以吸收压电换能器晶片背面辐射的超声波并将其转换为热能，减小背面辐射产生的干扰。

　　匹配元件为电感，可以改善发射、接收电路与压电换能器晶片之间的机电耦合性能。

　　晶片前端有阻抗匹配层，厚度为1/4超声波波长，可以实现换能器晶片和声楔之间的声阻抗过渡，避免因阻抗的显著差异而降低界面透射系数，避免压电换能器晶片以高Q值振荡从而影响探头的发射接收性能。声楔的倾斜角度设计以及材料的选用是为了避免超声波在管道和流体中传播时产生较强的交混回响，并提高信号强度。这里选用聚醚酰亚胺(PEI)，常温(20℃)下纵波传播的声速c为2424 m/s。