引言

      超聲波流量計(jì)具有始動(dòng)流量小、量程比大、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于流量計(jì)量。超聲波傳感器（以下簡稱傳感器)是超聲波流量計(jì)的核心部件之一。流量計(jì)量時(shí)，一只超聲波流量計(jì)需要使用一對(duì)傳感器，并共同使用一套信號(hào)收發(fā)電路。為保證獲取的時(shí)間差準(zhǔn)確，要求一對(duì)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(duì)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(diǎn)，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(jì)算傳感器其他參數(shù)，所以不適用于在線測量。針對(duì)傳感器諧振頻率等參數(shù)對(duì)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(hào)分別為TMS320F28355與AD9833的數(shù)字信號(hào) 儀與可編程信號(hào)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(jì)算其阻抗，進(jìn)而確定諧振頻率。Ne6dSek 等設(shè)計(jì)了一款基于ARM阻抗分析儀，其原理是通過測試自動(dòng)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(qiáng)等特點(diǎn)。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(duì)超聲波傳感器的研究更多的是偏向于對(duì)傳感器單一參數(shù)測試方法，而對(duì)于流量計(jì)量而言，還需要有一種測試裝置來在線評(píng)價(jià)一對(duì)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(jì)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(gè)由激勵(lì)信號(hào)源、采樣電阻組成的測試回路中，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率變化時(shí)，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(gè)頻率點(diǎn)fm、fn，且fm＜fn。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率為fm時(shí)電流最大，頻率為fn時(shí)電流最小。

Figure 1 The curve diagram of current varing  with frequency

      圖 2 為等效阻抗隨激勵(lì)信號(hào)頻率變化的曲線圖。其中，fm稱為最小阻抗頻率，其附近會(huì)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(huì)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(jī)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(xiàn) [ 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(hào)頻率fs等于fm時(shí)，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(hào)頻率fp等于fn時(shí)，fp為并聯(lián)諧振頻率。

當(dāng)無機(jī)械損耗時(shí)：

fm= fs = fr , fa = fP = fn   (3)

當(dāng)有機(jī)械損耗時(shí)：

fm < fs < fr； fa < fP < fn     (4 )

1 . 2 主要參數(shù)對(duì)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(jì)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(hào)幅值與轉(zhuǎn)換前的信號(hào)幅值之比大，這樣會(huì)更便于轉(zhuǎn)換后小信號(hào)的識(shí)別，更能保證時(shí)間差的計(jì)算精確度。

(1)諧振頻率對(duì)壓電效應(yīng)影響的分析。如圖3 所示，在諧振頻率點(diǎn)，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(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，右側(cè)分支電路L1、C1、R1中就會(huì)存在L1 與C1 ，就會(huì)因?yàn)樾呐c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(huì)減少，進(jìn)而使傳感器轉(zhuǎn)換效率下降。

(2)靜態(tài)電容對(duì)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(lì)信號(hào)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(shí)，有功功率的減少會(huì)導(dǎo)致輸出電壓降低 ，進(jìn)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(dòng)態(tài)的，振動(dòng)特性和電信號(hào)的響應(yīng)都是時(shí)間的函數(shù)，傳感器的動(dòng)態(tài)特性決定著傳感器的轉(zhuǎn)換效率。流量計(jì)量時(shí)，傳感器是成對(duì)工作的，互為發(fā)送/接收信號(hào)，同時(shí)信號(hào)處理電路也對(duì)稱使用，要求傳感器的特性  具有一致性，接收與發(fā)送信號(hào)互為交換后，呈現(xiàn)的特性具有較高的相似性，否則將會(huì)出現(xiàn)閾值偏差、相位偏差等現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差。

2 傳感器的測試方法及設(shè)計(jì)

2 . 1 測試項(xiàng)目及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      為保證傳感器的一致性，要針對(duì)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(jìn)行測試，保證用于同一流量計(jì)的一對(duì)傳感器主要特性的一致性。圖4為設(shè)計(jì)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(duì)諧振頻率與反諧振頻率的測試采用傳輸線路法，針對(duì)諧振阻抗與反諧振阻抗的測試采用替代法，針對(duì)傳感器輸出幅值的測試采用脈沖激勵(lì)信號(hào)法，針對(duì)靜態(tài)電容的測試采用交流容抗法。

2 . 2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖 5 測試裝置硬件總體框圖

2.2. 1 檢 波 電 路

      因?yàn)閭鞲衅餍盘?hào)衰減很大且很微弱，同時(shí)，接收到的電信號(hào)是含有被測量信息的調(diào)制信號(hào)，所以需要對(duì)再次接收到的電信號(hào)進(jìn)行檢波、濾波、放大等信號(hào)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(yùn)算放大器AD8063和二極管1N4 1 4 8均為 高速型。

圖 7 中，運(yùn)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(yùn)放B與電阻R57、R58、R59共同組成一個(gè)信號(hào)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(hào)存在的髙頻干  擾 ，提取待測傳感器輸出信號(hào)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(diǎn)的電流方程為式（5):

p 點(diǎn)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(jì)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(jì)

2. 3. 1 頻率測試模塊 

      如圖 9 所示，信號(hào)發(fā)生器給傳感器輸入幅值固定、頻率可變的激勵(lì)信號(hào)，采樣電阻A 將傳  感器工作電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，諧振頻率點(diǎn)的傳感器工作電流最大、等效阻抗最小，反諧振頻率點(diǎn)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(lì)信號(hào)激勵(lì)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(shí)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(gè)模擬工況環(huán)境設(shè)計(jì)的測試單個(gè)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(shí)，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(shí)現(xiàn)了電信號(hào)  (傳感器發(fā)出）一機(jī)械波 （介 質(zhì)中傳輸、底板發(fā)  射）一電信號(hào)（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(lì)信號(hào)時(shí)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(lì)信號(hào)，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(jì)的測試裝置分別對(duì)傳  感器樣品進(jìn)行測試并比對(duì)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(hào)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(hào)發(fā)生器作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號(hào)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(hào)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(hào)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(jìn)行了 5 次測試實(shí)驗(yàn)，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(jì)裝置測試數(shù)據(jù)  記為n。由表 1 可知，設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)誤差為0.29%。對(duì)比可知，設(shè)計(jì)裝置讀數(shù)  穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計(jì)要求。

      由表 1 可知，設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)誤差為0 . 3 4 %。對(duì)比可知，設(shè)計(jì)裝置輸出值  穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 . 2 靜態(tài)電容

      設(shè)計(jì)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(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由 表 2 可知，設(shè)計(jì)裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀  器測試結(jié)果中，針對(duì)電容盒的 5 個(gè)電容值（100、  500、1 000、1 500、2 400 PF) ，標(biāo)準(zhǔn)儀器實(shí)測電容  的最大偏差值分別為9、8、18、8、68 PF，最大相對(duì)  誤差為 9 % ，出現(xiàn)在第 1 列數(shù)據(jù)中；設(shè)計(jì)裝置實(shí)測  電容的最大偏差值分別為5、5、10、0、0 PF，最大相  對(duì)誤差為 5 % ，也 出 現(xiàn) 在 第 1 列數(shù)據(jù)中。對(duì)比可知 ，設(shè)計(jì)裝置輸出值穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿  足設(shè)計(jì)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?yàn)閷?duì)輸出信號(hào)做了必要的調(diào)整，  所以無論是輸出信號(hào)的幅值還是信號(hào)的一致性，  設(shè)計(jì)裝置都有了很大的改善。設(shè)計(jì)裝置對(duì)傳感器  輸出信號(hào)進(jìn)行整流濾波放大之后進(jìn)行讀數(shù)，因此  測試數(shù)據(jù)相對(duì)較大。

表 3 發(fā)射幅值與回波幅值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 . 4 配對(duì)實(shí)驗(yàn)

      實(shí)驗(yàn)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(dá)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(duì)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(hào)、2 號(hào)傳感器特性接  近，3 號(hào)、4 號(hào)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(duì)的有效性，將 1 號(hào)與 2 號(hào)、  3 號(hào)與 4 號(hào)分別在工況條件下進(jìn)行互為收發(fā)的配  對(duì)實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如表5 所示。表中“1—2”表示 1 號(hào)傳感器發(fā)送信號(hào)，2 號(hào)傳感器接收信號(hào)，圖 13  為一收一發(fā)配對(duì)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(hào)、2 號(hào)傳感  器配對(duì)后收發(fā)特性接近，3 號(hào)、4 號(hào)傳感器配對(duì)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(hào)傳輸過程中衰減也接近,信號(hào)處理電路  中信號(hào)的上升率與相位移也接近，這樣就可以更  好地保證流量計(jì)量精確度。

需要說明的是，流量計(jì)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(duì)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(shí)踐中。

4 結(jié)束語

      針對(duì)目前超聲波流量計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)，提出了一種可以用于同一支超聲波流量  計(jì)上的一對(duì)超聲波傳感器的測試方法，并給出傳  感器配對(duì)選擇的依據(jù)，以及給出具體測試的關(guān)鍵  電路設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析證明了理論分析與  具體設(shè)計(jì)的有效性，該裝置已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，  生產(chǎn)效率與成品率都有很大提高。

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