以多普勒效应为基础，进行超声波换能器设计方法和参数选择研究，设计出适用于多普勒流量计的超声波换能器。结合多普勒效应，介绍了超声波多普勒流量计的原理和超声波换能器结构，分析了超声波在管道中的传播过程、换能器等效电路及其材料选择，进而通过计算得到换能器尺寸以及发射角度等参数，根据这些技术参数，进行换能器设计。对超声波换能器进行测试，配以适当的收发电路，得到谐振频率、等效电路的基本参数，收发信号的幅度有所提高，达到流量测量要求。

1.引言

超声波流量计是随着集成电路技术迅速发展开始应用的一种非接触式实时在线测量仪表，其安装于被测管道的外侧，因此测量结果不会受到流体的化学性质和物理性质的影响。此外，在石油化工生产过程、自动检测和控制中，需要检测各种流体的流量。因此，流量计的性能对工业的发展有着极为关键的作用，而换能器又是整个流量测量系统的基石。

超声波流量计所用到的换能器，是将一种形式的能量转换为另外一种形式能量的装置，即实现电能和声能之间的相互转换。按照实现换能器机电转换的物理效应的不同，可以将换能器分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、压电式等，在众多的换能器类型中，压电换能器以其机电转换效率高（通常可达到８０％左右）；容易成型，可以加工成各种形状；造价低廉；性能较稳定等优点，成为研究与应用最为广泛的超声换能器之一。

基于超声波的多普勒频移测量原理，对单向流体流量测量中使用的压电式换能器参数的选取进行研究，实现对管道流体的可靠超声波定量检测，为后续电路提供可靠的数据。

2.超声波多普勒流量计测量原理

物理学中的多普勒效应可以简单表述为，当观察者和声源间有相对运动时，观察者收到的频率与声源所发出的频率将会有个频率差异，而这个频率差异与两物体的相对速度是成正比的。超声波多普勒流量计，就是通过测定流体中运动粒子产生的散射声波频移，完成对流体流速、流量检测。

超声波多普勒流量计的原理如图１所示，Ｔ 和Ｒ 分别代表发射和接收换能器。由Ｔ 发出频率为ｆ 的超声波信号，透射进管道，入射到不均匀的流体中，如果流体中带着以速度ｖ运动的散射体（如气泡、悬浮粒子等），部分声能将会被散射，而形成ｆ′信号，该散射信号被Ｒ 接收，经调理电路后输入到DSP系统进行信号处理.

在给定管道条件和介质的情况下，只要测量出多普勒频移 ｆ，依据式（１）就可以计算出流速ｖ，式（１）中，声波从声楔进入管壁的入射角为α，ｃ１ 为声楔中的纵波声速：

３.超声波多普勒流量计探头结构

超声波探头通常分为直探头、斜探头、带曲率探头、聚焦探头、表面波探头等几种，为了使声波入射到管道时成一定的角度，所以需要采用透声楔块，将声楔和压电陶瓷片等部件组合起来，封装在一起，构成一个完整的超声波斜探头，其结构如图２所示。

４.压电晶片的参数选择

超声波换能器使用的是薄圆片振子，它工作在厚度振动方式，根据压电陶瓷理论，将振子简化成一个半径为ａ，厚度为ｔ的圆形晶片，极化方向沿厚度方向，压电振子的电极面积为Ｓ，如图２所示。

圆薄片振子工作在厚度方向振动模式时，应变Ｓ和电位移Ｄ 为自变量，应力Ｔ 和电场强度Ｅ 为因变量，这种情况下，选择用ｈ型压电方程，有利于分析问题方便：

４．１压电陶瓷材料选择

换能器材料种类繁多、各具特点，要根据实际需要来选择换能器的材料。ＰＺＴ－４具有高机电耦合系数、高压电常数和低介电损耗、低机械损耗等特性，适合用作中功率发射型压电换能器；ＰＺＴ－８的机电耦合系数、电容率和压电常数比ＰＺＴ－４稍低，但其抗张强度、稳定性及介电损耗等性能优于ＰＺＴ－４，常用来制作高机械振幅的发射型换能器；ＰＺＴ－５具有灵敏度高、机电耦合系数大、机械品质因素低、介电常数适中、老化性能好、稳定性好等特点，主要用于高灵敏度换能器、流量计换能器等，适用于制做发射和接收两用型压电换能器。

选择的压电陶瓷材料是 Ｐ－５１，该压电陶瓷具有较高的灵敏度和居里温度，各种参数稳定性好，具有较高的介电常数和机电耦合系数，适合用于超声多普勒流量测量。具体参数如表１所示。

４．２ 压电陶瓷频率选择

超声波多普勒流量计的斜探头采用连续波方式激励，当换能器受到激励后，压电陶瓷按照固有频率振动，并向外辐射超声波，因此，压电陶瓷固有频率对于流量测量起着决定性的作用，一般为了提高精度，选择高频率的探头，但频率太高，不仅会增大超声波在介质中的衰减，而且还会加大电路设计的难度，通常，工业测量中用的频率范围为０．５ＭＨｚ到２ＭＨｚ，选择的频率为６４０ｋＨｚ。

４．３ 晶片尺寸

４．３．１ 晶片面积为了提高测量的准确性以及保证精度，应尽量减少声场的指向角，压电陶瓷片的指向性为：

5.透声楔块的选择

５．１ 声楔的材料

常用声楔材料有有机玻璃、ＡＢＳ塑料、聚砜等，这些材料的衰减常数都相当小，因此称为透声材料，尽管透声 而：楔材料的衰减有利于吸收杂波，但过大声衰减会使探头发射、接收的超声波能量在声楔中损失严重，影响到检测精度和效率。因而声衰减应尽量小为好，而杂波回射等问题可以通过合理设计透声楔形状等措施解决。

压电陶瓷处于厚度振动模式，产生的纵波在声楔和管道界面处，产生１束纵波和１束横波，在管壁和流体界面处，２种波形均转换成２束纵波在流体中传播，２束纵波在对面的管壁又转换成２束纵波和２束横波传播。

当斜入射纵波时，根据折射定律有：

考虑到加工的难易、衰减常数等因素，选择有机玻璃作为透声楔块的材料。其密度为１．２０ｋｇ／ｍ３，有着极高的透明度，透射率高达９３％，常温（２０℃）下纵波传播的声速为２７３０ｍ／ｓ。

５．２ 声楔的角度

由图４所示，以α为入射角的超声波纵波或者横波，将产生纵波和横波２种波形，即超声波从一种介质入射到另一介质的时，因为界面两侧的介质不同，将会发生波形转换。

5.3声楔尺寸

综上考虑，用 ＡｕｔｏＣＡＤ 绘制换能器声楔的尺寸图，用有机玻璃制作出透声楔块。合理的声楔结构，可以减少压电陶瓷片所产生的杂波信号，使有用信号尽可能多的投射到管道中。

６.测试结果与结论

经过本文的分析，将直径为２５ｍｍ 的压电陶瓷片，用环氧树脂、固化剂和硅胶固定封装在倾斜角为３３°的梯形有机玻璃声楔块上，环氧树脂不光作为压电陶瓷的衬底，同时也很好的加固了压电陶瓷的任性。将它们封装在特制的铝质外壳中，用电缆引出压电陶瓷片的两极，完成换能器的制作，如图５、图６所示。

用阻抗分析仪测量其谐振频率和等效电路参数，如图７和图８所示。

用耦合剂将换能器相向而接，对研制的超声波多普勒探头进行性能测试、现场试用。用信号源产生峰－峰值为２０Ｖ的信号，频率是压电陶瓷的谐振频率，如图９和图１０所示，则经过对比，使用３３°声楔的换能器比４５°声楔换能器接收到的信号的效果有明显的提高。

采用本方法设计得到的超声波多普勒换能器，对于流量计系统的灵敏度和回波信号的幅度都有明显改善，可以应用在超声波流量计系统上。