超声传感器是超声明渠流量计的重要组成部分，其关键是超声传感器对堰槽内流体液位高度h0的测量。如图l所示，测得h1后，因超声传感器距离流量堰槽底面的高度为一确定值h，故可算出液位高度h0=h-h1，再根据流量计算公式q=Kh0n（K，n为设定参数）即可得到液体流量。

 

 

 

      超声传感器在微机控制下，发射和接收超声波，并由超声波的传播时间t来计算超声传感器距被测液面的距离h1，在超声波传播速度c已知的情况下，可根据下式计算出超声传感器距离被测液面的距离h1：

 

            （1）

 

      超声传感器的核心元件是压电陶瓷，它利用压电陶瓷的压电效应产生高频振荡，发射超声波，并将自液面反射回来的超声波回波信号转换成电压信号。

 

      2 超声传感器设计

 

      传感器的结构如图2所示，超声波在气介质中传播强度衰减较严重，而且在明渠流量计时因被测对象是流动的液面，这就使超声传感器的发射、接收信号很微弱。因此．为保证仪表的可靠工作，传感器必须有足够的灵敏度，这需要加声学匹配层。

 

 

 

      为了设计声学匹配层的厚度，必须了解声波在不同介质中传播时其通过介面的透过率在什么情况下最大。当声波介质（1）垂直人射到介质（2）的情况下（见图3），假设介质无吸收，其透过率τ只与两种介质的特性声阻抗Z0有关：

 

      τ=透过声波强度/人射声波强度

 

             （2）

 

      反射率为γ=1-τ      （3）

 

      式中：Z1为介质（1）对超声渡的声阻抗，Z1=ρ1c1；Z2为介质（2）对超声渡的声阻抗，Z2=ρ2c2；ρ1为介质（1）的密度；ρ2为介质（2）的密度，c1为超声波在介质（1）中的传播速度；c2为超声波在介质（2）中的传播速度。

 

 

 

      当Z1=Z2时，由式（2）和式（3）得超声波的透过率τ=1，反射率γ=0。

 

      气介式超声传感器是向空气发射超声波，且发射面多为金属材质。在这种情况下，介质（1）的声阻抗Z1大干介质（2）的声阻抗Z2，用式（2）计算可发现传感器透过率太小，传感器的发射、接收效率太低为了提高传感器向空气中的辐射能量，必须在辐射面上加声学匹配层，以进行声阻抗匹配。

 

      加了声阻抗匹配层之后，传感器发射的声波从金属介质（1）透过匹配层介质（2）传到空气介质（3），如图4所示。

 

 

 

      根据声学理论，透过率τ除与介质的特性声阻抗有关外，还与声学匹配层介质（2）的厚度及工作频率有关。其表达式为

 

      τ=4Z1Z3[（Z1+Z3）2cos2（K2l）+（Z2 + Z3Z1/Z2）2sin2（K2/l）] -1      （4）

 

      式中：Z1=ρ1c1；Z2=ρ2c2；Z3=ρ3c3； K2=2πf/c2；f 为工作频率；l为介质（2）的厚度，这里代表声学匹配层的厚度。

 

      假设Z1=  ；l=λ/4；λ=C2/f，λ为波长，代人式（4）后，可得到透过率τ=1，因此合理选择匹配层材质的声阻抗Z2及匹配层厚度l，可大幅度提高传感器向空气中的辐射强度和接收回波信号的强度。

 

      3 与超声传感器相匹配的信号发射与接收电路

 

      信号发射和接收电路设计的优劣是使超声传感器得到最佳发挥的基础，直接涉及到流量测量的准确与否。发射、接收电路方框图如图5所示。

 

 

 

      超声波接收波的强弱受多种因素影响，一方面随着距离的增加接收波衰减较大；另一方面在近距离，特别是在带有观察井的堰槽的场合，声波在观测井内会形成多次反射．造成某些点信号叠加而使接收波增强，另外一些信号抵消而使接收波减弱。如果接收、发射电路使用固定的增益，就会得到大小不一的接收波，在波形处理上．尤其在触发时刻的选取上将造成很大影响，直接影响仪表的测量精度。接收、发射电路使用了自动增益。使处理后的信号大小保持恒定，有效地提高了仪表对液位的测量精度。此外，由于微处理机的应用．可通过对声波的振荡器的控制设立接收波“窗口”，自动跟踪接收波的位置，将一切在接收波到达前的干扰脉冲滤掉，并通过与之相配的算法软件，补偿由于明渠液面波动及液面悬浮物的影响。

 

 

 

      图6中，a是微机给出的发射控制信号波形：b是在200μs的宽度内，振荡器产牛的高频振荡波形；c是功放输出（峰-峰值为350 V）超声传感器上，使超声传感器在这个电压激励下发射超声波；d是由超声传感器接收的回波信号波形U，送入放大器进行放大；e是放大检波后的输出波形。该波形始终是动态变化的，放大器输出波形幅值经信号处理，若大于某电平时，就迫使放大器的放大倍数减小，放大器的输出波形的幅值降低。当放大器的波形低于某电平时，迫使放大器放大倍数增加，放大器的输出波形幅值增大。超声传感器接收的回波信号随工况的实际条件，如粉尘、气流扰动、反射面的状况及传感器到液面的距离变化而变化。但经自动增益控制后，放大器输出的波形幅值最大在A电子以下，最小在B电平以上。使接收回波的幅值在一个较小的变化范围内（0.4）变化，从而提高了仪表测量准确度。

 

      图6F是给微机的计时终止信号波形。当放大器输出波形的幅值大于图6e中E电平时信号处理就输出图6F中的计时终止信号。在微机给传感器起动信号的同时开始计时，收到计时终止信号后计时终止，这样微机可测出超声波的传播时间t。

 

      4 应用

 

      实践证明，声匹配技术是提高气分超声传感器发射、接收灵敏度的有效而简便的方法、只要合理选择匹配层的材料及厚度，传感器的发射、接收灵敏度就能大幅度提高，一般可提高两个数量级。

 

      超声传感器的发射、接收灵敏度提高后。接收回波信号的信噪比有了明显改善。实践表明超声明渠流量计具有较高的可靠性和较强的抗干扰能力、可在强噪声、粉尘、水汽液面波动、气流扰动等恶劣环境中稳定、可靠地工作、该成果已在我所研制的LYS-20超声明渠流量计的应用中收到良好效果。

 

      参考文献

 

      [1] 赵顺刚 气介超声换能器声匹配的应用 自动化表、1995.16 （12）

      [2] L 别尔格曼，著. 超声.曹大文，顾林根，等译，北京：国防工业出版社.1964

      [3] JJG711-90 明渠堰槽流量计试制检定规程