超聲波流量計主機與探頭原理探討  十四

超聲波流量計換能器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭等。根據(jù)壓電晶片的大小，如直徑和厚度的不同，每個探頭的性能是不同的，其主要性能指標(biāo)包括：

①工作頻率f 0 ：大多工作頻率選在換能器的機械共振頻率（即壓電晶片的共振頻率）附近。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

②機電耦合系數(shù)K t ：超聲波換能器的機械能和電磁能相互轉(zhuǎn)換過程，就是機電耦合過程。最早給出定義的梅森將機電耦合系數(shù)定義為從電源取得的總能量貯存的機械能量。

但是，定義機電耦合系數(shù)的公式很多而且各不協(xié)調(diào)。此外，壓電元件的機械能與它的形狀和振動方式有關(guān)。因此不同形狀和振動方式所對應(yīng)的機電耦合系數(shù)也不同。機電耦合系數(shù)為無量綱單位。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

③換能器的機械品質(zhì)因數(shù)Q m ：Q m 是從電學(xué)中應(yīng)用到機械振動系統(tǒng)中來的一個重要物理量，它與標(biāo)稱帶寬密切相關(guān)，即與換能器的機電耦合系數(shù)密切相關(guān)，而且與所在介質(zhì)的輻射阻、換能器結(jié)構(gòu)、材料及損耗密切相關(guān)。例如，同一只壓電換能器，在水中的Q m ≈30，在空氣中Q m ≈200。

④換能器的阻抗特性：根據(jù)換能器的等效機電六端網(wǎng)絡(luò)圖，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面換能器與發(fā)射電路（或接收電路）末級電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負(fù)載（或接收聲負(fù)載）匹配。

⑤換能器的方向特性：一個發(fā)射或接收聲波換能器，其尺寸和所在介質(zhì)中的聲波波長可相比擬時，它發(fā)射聲能是集中在某些方向上的，即具有一定的擴散角。

為超聲波波長（與頻率成反比），D 為換能器直徑，所以頻率越高，擴散角越小。但是，超聲波在傳播過程中，散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)分別與頻率的4 次方和2 次方成正比，因此超聲波的頻率不能太高。

超聲波流量計