1、聲學(xué)基礎(chǔ)

19世紀(jì)時德國科學(xué)家克拉尼通過實驗驗證20kHz是人耳能聽到聲波頻率的上限。而后，人們把超過人聽覺范圍(2OkHz以上)的聲波稱為超聲波。在自然界，動物能識別超聲波的*高頻率是:狗25kHz;鯨魚100kHz;蝙蝠175kHz。

超聲波有2個重要的性能。*一是定向比。因為超聲波頻率很高和波長很短，所以它可以像光波那樣沿直線傳播，而不像頻率較低的聲波要繞物體前進(jìn)。*二是超聲波能在氣體、液體和固體中傳播。在不同的物質(zhì)中超聲波的傳播速度各不相同。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度為c。它在不同介質(zhì)中的傳播速度見表 5.1。

在測量流體時，為了使超聲波在傳播中減少阻尼，通常:

·超聲波對氣體介質(zhì)測量采用頻率數(shù)量級是100kHz;

·超聲波對液體介質(zhì)測量采用頻率數(shù)量級是1MHz;

·超聲波對小口徑管道液體介質(zhì)測量采用頻率數(shù)量級是2MHz。

2、超聲波多普勒測量原理

多普勒超聲波流量計的工作原理類似于用于交通的雷達(dá)測速方法。

發(fā)射部件以角度a和頻率fl(約IMHz一5MHz)向流動的液體發(fā)射超聲波。該超聲波在傳播過程中碰到在超聲波場中以速度vp運(yùn)動的粒子。頻率為f1的發(fā)射波波長是

λ=c/f1

由于粒子以vp速度運(yùn)動，以運(yùn)動粒子作為參考系，接收從發(fā)射單元發(fā)出的超聲波波長為

λp=（c-vp·cosa）/f1

再以接收單元為參考系，得到從粒子上反射的超聲波，它的波長變化為

λ2=（c-2·vp·cosa）/f1

對次得出

由于vp》c，得到的頻率差為

此頻率差與粒子運(yùn)動的速度vp呈線性關(guān)系（見圖5.2）。

多普勒超聲波流量計的優(yōu)點(diǎn):

·在已有的管道中安裝簡單;

·無活動部件，無摩擦。

多普勒超聲波流量計的缺點(diǎn)和限制:

·測量方法要求介質(zhì)必須連續(xù)，并含有足夠的反射粒子;

·粒子具有足夠大的尺寸，以便能進(jìn)行良好反射(λ/4);

·在粒子材料中的超聲波傳播速度應(yīng)與在被測流體中的傳播速度相差很大;

·在被測流休中超聲波的傳播速度直接包含在測量結(jié)果中;

·通常粒子的速度與流體的速度有明顯的偏差(滑差);

·大多數(shù)情況下超聲波聲場僅能測反射物質(zhì)相遇點(diǎn)的速度，這樣顯示值對流速分布有很大的依賴性;

·流體的流速必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粒子產(chǎn)生沉淀的臨界速度;

·為了保持良好的流體流動的性能需要很長的無干擾入口管道(20倍于管道口徑的長度)。

多普勒超聲波流量計的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下:

·醫(yī)學(xué)應(yīng)用(血流*檢測)。這里絕對精度不起作用。僅要求良好的動態(tài)性能，詳細(xì)重復(fù)診斷在血管中血液的脈動情況(類似于心電圖)。在無干擾情況下簡單和無需出血地把測量探頭貼放在皮膚上(帶耦合脂肪)。

·礦漿的流量測量(如鐵礦石)。這里天然的礦粒子溶度很高。粒子的超聲波傳播速度與在載體介質(zhì)內(nèi)的傳播速度有足夠大的差別。當(dāng)然，在對未超過臨界的速度進(jìn)行信號化時，與溶度有關(guān)的超聲波滲透深度和流速分布會產(chǎn)生很明顯的測量誤差。

3、超聲波時差測量原理

1）基本原理

在直型管道中由發(fā)送器以與流動方向成銳角形式發(fā)射穿過流動氣體（如氣體流量計）或液體的超聲波，并用一個接收器接收信號。因為在管道彎曲處流動截面的流速分布不對稱，所以在這種情況下不能應(yīng)用超聲波測量方法。

用發(fā)送器S和接收器E的超聲波流流量原理如圖5.3所示。在靜態(tài)液體中，從發(fā)送器到接收器超聲波運(yùn)動的速度為Co通常液體流動的速度為v，此速度以圖5.3的形式分布。在觀察點(diǎn)O處流動速度v在超聲波運(yùn)動方向上的速度分量是voo在流動液體中與此相應(yīng)的超聲波速度為

c1=c+va=c+vcosa

如果把發(fā)送器和接收器互換，那么速度分量的方向與超聲波運(yùn)動方向相反。超聲波的速度c2為

c2=c-va=c-vcosa

當(dāng)測量距離ι已知時，原理上由在測量距離ι上的流體平均速度ū來確定測量時間t1。該時間是順流時超聲波運(yùn)行距離ι所需的時間。但是超聲波速度很明顯與液體的溫度有關(guān)。為了補(bǔ)償溫度對測量結(jié)果的影響，必須在順流和逆流2個方向上同時發(fā)射超聲波，以便同時考慮加以計算。這樣，用超聲波信號前邊緣檢測的時間t1和t2為

由式（5.8）和式（5.9）導(dǎo)出流體的平均流速v為

在測量路徑長度ι傾角a以及管道幾何尺寸不變的前提條件下，能通過測量2個計時時間t1和t2計算測量管道的平均速度和靜態(tài)聲速。

兩脈沖運(yùn)行的時間差為

式中 D--管道的直徑。

時間差與沿測量管道方向的平均流速精確地呈線性關(guān)系(超聲波聲道)。但時間差的量值很小，對提高測量的分辨率有一定難度。

時差原理舉例:

管道直徑:100mm

入射角a：45°

被測介質(zhì)：水

傳播速度c：1480m/s

流速v：lm/s

順流時間t1：95.4949x10-6s

逆流時間t2：95.5862x10-6s

時間差△t：91.29x10-9s

分辨率0.5%，能分辨的*小時間<500x10-12s

2）時間信號的檢測方法

在時間檢測過程中，控制發(fā)送的壓電脈沖和處理接收信號的測量變送器必須保證有很高的時間分辨率。檢測方法也經(jīng)歷了過零點(diǎn)檢測、相關(guān)測量分析以及抗干擾能力和測量精度有很大改善的復(fù)雜數(shù)字信號處理等階段。下面介紹2種檢測方法。

（1）零點(diǎn)檢測方法

絕對計時時間t1和t2的測量可經(jīng)定時脈沖的計數(shù)來完成。按照圖5.4，由發(fā)送器發(fā)出一個方波信號或矩形波信號;而接收到的信號是*先逐步增幅振蕩而后逐步衰減振蕩的信號。信號接收時選擇一個已知的閾值。信號增大到達(dá)該閾值，“預(yù)觸發(fā)”過零檢測裝置。當(dāng)檢測器檢測到過零點(diǎn)時，得到計時時間間隔t測量c在增幅振蕩過程中不能直接檢測到t計時時間值，通常通過半波周期N整數(shù)倍的值對t測量修正產(chǎn)生t計時時間值。其中N值是信號從一個過零點(diǎn)到另一個過零點(diǎn)的間隔時間。圖5.4中，t計時=t測量-3N。

（2）相關(guān)方法

相關(guān)流量測量方法的基本條件是選取被測介質(zhì)的特征標(biāo)記。超聲彼流*計采用超聲波脈沖信號作為特征標(biāo)記。流速的測*性能可經(jīng)過下列方法得到擴(kuò)展和改善。

在采用超聲波脈沖信號的特征標(biāo)記進(jìn)行體積流量測量時，在流動方向上前、后安裝2套傳感器。對傳感器檢測的微粒標(biāo)記信號進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計實現(xiàn)計時時間側(cè)量。通常2個傳感器分別安裝在測量管道的入口端和出口端。如果把*1個傳感器的信號作為測量裝置的輸入信號，而把*2個傳感器的信號作為測量裝置的輸出信號，那么就能根據(jù)計時時間得到傳遞過程環(huán)節(jié)的脈沖響應(yīng)g（t）。

假設(shè)傳遞過程環(huán)節(jié)含有未知的時滯時間T,2個信號就有一個時滯時間T的平移。使用2個被測信號的正交相關(guān)計算求出脈沖響應(yīng)函數(shù)和計時時間，再由計時時間和測量裝置的幾何尺寸確定體積流量，如圖5.5所示。

相關(guān)測量方法的原理是，在理想情況下測量傳感器檢測到2個形狀相同的信號，它們之間僅是時間相互超前和滯后T的關(guān)系。測量方法以*1個傳感器信號人為延遲r為基礎(chǔ)。相關(guān)方法的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)模型時間r，當(dāng):r=T時使經(jīng)測量裝置延時的信號u2（t）=u1（t-T）與人為延時信號u1（t-r）相等。由于信號帶有隨機(jī)噪聲，廣義的表達(dá)方式是通過相關(guān)器計算使兩個信號的協(xié)方差為*小.即

對理想的情況，靜態(tài)信號的方差為

和協(xié)方差為

當(dāng)Υ=T時2個信號協(xié)相關(guān)函數(shù)達(dá)到*大φu1u1（Υ=T）。協(xié)相關(guān)處理器以固定的采樣頻率存儲2個信號u1（t）和u2（t）的離散序列幅值。在測量范圍允許的計時時間內(nèi)得到一階保持信號，并把它作為正交相關(guān)系數(shù)rxy（Υ）有

然后，尋找模型的計時時間Υmax使協(xié)相關(guān)系數(shù)*大。在測量傳感器已知間距s和時滯時間T=tmax的條件下，計算流速v=s/T。

3）發(fā)送器和接收器的原理

超聲波發(fā)送器的種類很多.大致可分成機(jī)械和電聲2大類。在超聲波流量計通常使用電聲型發(fā)送器。

電聲型超聲波發(fā)送器把電磁能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械波的能量。這種能量轉(zhuǎn)換是通過電聲換能器來完成的。電聲換能器的作用是將高頻電源的電磁振蕩能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動能量而發(fā)射超聲波。電聲換能器有壓電式和磁滯伸縮式2種。這里主要介紹壓電式換能器。

壓電式換能器是用壓電材料(如石英、磷酸甲欽酸鋇等)制作而成的。當(dāng)壓電材料受到周期性的壓縮時，就在兩相對面出現(xiàn)周期性電壓。此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，把周期性電壓加在壓電材料上，使壓電材料產(chǎn)生伸縮的機(jī)械振動。這種逆壓電效應(yīng)是壓電式換能器產(chǎn)生超聲波的原理。壓電式換能器能產(chǎn)生高頻超聲波，從幾十千赫到幾十兆赫，*高可達(dá)10Hz。它產(chǎn)生的聲強(qiáng)也很大。在發(fā)送器表面處每平方厘米可達(dá)數(shù)十瓦，而且易于聚焦，以便產(chǎn)生更大的聲強(qiáng)。它非常適合于工業(yè)應(yīng)用。

關(guān)于超聲波接收傳感器，*常用的就是利用壓電效應(yīng)的傳感器。這些傳感器在接收超聲波后產(chǎn)生振動，并輸出交變的電信號。該信號經(jīng)放大和數(shù)據(jù)處理后可直接使用。