1、聲學(xué)基礎(chǔ)

19世紀(jì)時(shí)德國科學(xué)家克拉尼通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)物能識(shí)別超聲波的*高頻率是:狗25kHz;鯨魚100kHz;蝙蝠175kHz。

超聲波有2個(gè)重要的性能。*一是定向比。因?yàn)槌暡l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(cè)量流體時(shí)，為了使超聲波在傳播中減少阻尼，通常:

·超聲波對(duì)氣體介質(zhì)測(cè)量采用頻率數(shù)量級(jí)是100kHz;

·超聲波對(duì)液體介質(zhì)測(cè)量采用頻率數(shù)量級(jí)是1MHz;

·超聲波對(duì)小口徑管道液體介質(zhì)測(cè)量采用頻率數(shù)量級(jí)是2MHz。

2、超聲波多普勒測(cè)量原理

多普勒超聲波流量計(jì)的工作原理類似于用于交通的雷達(dá)測(cè)速方法。

發(fā)射部件以角度a和頻率fl(約IMHz一5MHz)向流動(dòng)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(chǎng)中以速度vp運(yùn)動(dòng)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(dòng)，以運(yùn)動(dòng)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(duì)次得出

由于vp》c，得到的頻率差為

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

多普勒超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn):

·在已有的管道中安裝簡(jiǎn)單;

·無活動(dòng)部件，無摩擦。

多普勒超聲波流量計(jì)的缺點(diǎn)和限制:

·測(cè)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(cè)流體中的傳播速度相差很大;

·在被測(cè)流休中超聲波的傳播速度直接包含在測(cè)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(chǎng)僅能測(cè)反射物質(zhì)相遇點(diǎn)的速度，這樣顯示值對(duì)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(dòng)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(jì)的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下:

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

·礦漿的流量測(cè)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(duì)未超過臨界的速度進(jìn)行信號(hào)化時(shí)，與溶度有關(guān)的超聲波滲透深度和流速分布會(huì)產(chǎn)生很明顯的測(cè)量誤差。

3、超聲波時(shí)差測(cè)量原理

1）基本原理

在直型管道中由發(fā)送器以與流動(dòng)方向成銳角形式發(fā)射穿過流動(dòng)氣體（如氣體流量計(jì)）或液體的超聲波，并用一個(gè)接收器接收信號(hào)。因?yàn)樵诠艿缽澢幜鲃?dòng)截面的流速分布不對(duì)稱，所以在這種情況下不能應(yīng)用超聲波測(cè)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(dòng)的速度為Co通常液體流動(dòng)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(dòng)速度v在超聲波運(yùn)動(dòng)方向上的速度分量是voo在流動(dòng)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(dòng)方向相反。超聲波的速度c2為

c2=c-va=c-vcosa

當(dāng)測(cè)量距離ι已知時(shí)，原理上由在測(cè)量距離ι上的流體平均速度ū來確定測(cè)量時(shí)間t1。該時(shí)間是順流時(shí)超聲波運(yùn)行距離ι所需的時(shí)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，必須在順流和逆流2個(gè)方向上同時(shí)發(fā)射超聲波，以便同時(shí)考慮加以計(jì)算。這樣，用超聲波信號(hào)前邊緣檢測(cè)的時(shí)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(cè)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(cè)量2個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間t1和t2計(jì)算測(cè)量管道的平均速度和靜態(tài)聲速。

兩脈沖運(yùn)行的時(shí)間差為

式中 D--管道的直徑。

時(shí)間差與沿測(cè)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(shí)間差的量值很小，對(duì)提高測(cè)量的分辨率有一定難度。

時(shí)差原理舉例:

管道直徑:100mm

入射角a：45°

被測(cè)介質(zhì)：水

傳播速度c：1480m/s

流速v：lm/s

順流時(shí)間t1：95.4949x10-6s

逆流時(shí)間t2：95.5862x10-6s

時(shí)間差△t：91.29x10-9s

分辨率0.5%，能分辨的*小時(shí)間<500x10-12s

2）時(shí)間信號(hào)的檢測(cè)方法

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

（1）零點(diǎn)檢測(cè)方法

絕對(duì)計(jì)時(shí)時(shí)間t1和t2的測(cè)量可經(jīng)定時(shí)脈沖的計(jì)數(shù)來完成。按照?qǐng)D5.4，由發(fā)送器發(fā)出一個(gè)方波信號(hào)或矩形波信號(hào);而接收到的信號(hào)是*先逐步增幅振蕩而后逐步衰減振蕩的信號(hào)。信號(hào)接收時(shí)選擇一個(gè)已知的閾值。信號(hào)增大到達(dá)該閾值，“預(yù)觸發(fā)”過零檢測(cè)裝置。當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到過零點(diǎn)時(shí)，得到計(jì)時(shí)時(shí)間間隔t測(cè)量c在增幅振蕩過程中不能直接檢測(cè)到t計(jì)時(shí)時(shí)間值，通常通過半波周期N整數(shù)倍的值對(duì)t測(cè)量修正產(chǎn)生t計(jì)時(shí)時(shí)間值。其中N值是信號(hào)從一個(gè)過零點(diǎn)到另一個(gè)過零點(diǎn)的間隔時(shí)間。圖5.4中，t計(jì)時(shí)=t測(cè)量-3N。

（2）相關(guān)方法

相關(guān)流量測(cè)量方法的基本條件是選取被測(cè)介質(zhì)的特征標(biāo)記。超聲彼流*計(jì)采用超聲波脈沖信號(hào)作為特征標(biāo)記。流速的測(cè)*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(hào)的特征標(biāo)記進(jìn)行體積流量測(cè)量時(shí)，在流動(dòng)方向上前、后安裝2套傳感器。對(duì)傳感器檢測(cè)的微粒標(biāo)記信號(hào)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)時(shí)間側(cè)量。通常2個(gè)傳感器分別安裝在測(cè)量管道的入口端和出口端。如果把*1個(gè)傳感器的信號(hào)作為測(cè)量裝置的輸入信號(hào)，而把*2個(gè)傳感器的信號(hào)作為測(cè)量裝置的輸出信號(hào)，那么就能根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)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(shí)滯時(shí)間T,2個(gè)信號(hào)就有一個(gè)時(shí)滯時(shí)間T的平移。使用2個(gè)被測(cè)信號(hào)的正交相關(guān)計(jì)算求出脈沖響應(yīng)函數(shù)和計(jì)時(shí)時(shí)間，再由計(jì)時(shí)時(shí)間和測(cè)量裝置的幾何尺寸確定體積流量，如圖5.5所示。

相關(guān)測(cè)量方法的原理是，在理想情況下測(cè)量傳感器檢測(cè)到2個(gè)形狀相同的信號(hào)，它們之間僅是時(shí)間相互超前和滯后T的關(guān)系。測(cè)量方法以*1個(gè)傳感器信號(hào)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(shí)間r，當(dāng):r=T時(shí)使經(jīng)測(cè)量裝置延時(shí)的信號(hào)u2（t）=u1（t-T）與人為延時(shí)信號(hào)u1（t-r）相等。由于信號(hào)帶有隨機(jī)噪聲，廣義的表達(dá)方式是通過相關(guān)器計(jì)算使兩個(gè)信號(hào)的協(xié)方差為*小.即

對(duì)理想的情況，靜態(tài)信號(hào)的方差為

和協(xié)方差為

當(dāng)Υ=T時(shí)2個(gè)信號(hào)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(chǔ)2個(gè)信號(hào)u1（t）和u2（t）的離散序列幅值。在測(cè)量范圍允許的計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)得到一階保持信號(hào)，并把它作為正交相關(guān)系數(shù)rxy（Υ）有

然后，尋找模型的計(jì)時(shí)時(shí)間Υmax使協(xié)相關(guān)系數(shù)*大。在測(cè)量傳感器已知間距s和時(shí)滯時(shí)間T=tmax的條件下，計(jì)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(jì)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(dòng)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(shí)，就在兩相對(duì)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(dòng)。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(dòng)，并輸出交變的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大和數(shù)據(jù)處理后可直接使用。