引言

      超聲波流量計具有始動流量小、量程比大、壽命長等優點，因而被廣泛應用于流量計量。超聲波傳感器（以下簡稱傳感器)是超聲波流量計的核心部件之一。流量計量時，一只超聲波流量計需要使用一對傳感器，并共同使用一套信號收發電路。為保證獲取的時間差準確，要求一對傳感器轉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的一致性，才有可能使得一對傳感器的轉換效率相互接近。

      基于阻抗特性的導納圓圖法是有效的測試手段之一，該方法具有精度較髙、操作簡便等優點，但是需要人工來判斷諧振頻率數值，并且需要通過手工計算傳感器其他參數，所以不適用于在線測量。針對傳感器諧振頻率等參數對結構和環境溫度等變化比較敏感的問題，Ghasemi等采用型號分別為TMS320F28355與AD9833的數字信號 儀與可編程信號發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算其阻抗，進而確定諧振頻率。Ne6dSek 等設計了一款基于ARM阻抗分析儀，其原理是通過測試自動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、分辨能力強等特點。頻率分辨力為1Hz,頻率測量范圍為50〜5000Hz。

      如上所述，國內外學者對超聲波傳感器的研究更多的是偏向于對傳感器單一參數測試方法，而對于流量計量而言，還需要有一種測試裝置來在線評價一對傳感器主要參數的一致性，作為其是否適用于一只流量計的判斷依據。

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由激勵信號源、采樣電阻組成的測試回路中，當激勵信號的頻率變化時，采樣電阻兩端電壓如圖1所示。從圖1 的曲線可以看出，在頻率變化范圍內存在兩個頻率點fm、fn，且fm＜fn。當激勵信號頻率為fm時電流最大，頻率為fn時電流最小。

Figure 1 The curve diagram of current varing  with frequency

      圖 2 為等效阻抗隨激勵信號頻率變化的曲線圖。其中，fm稱為最小阻抗頻率，其附近會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

      超聲波傳感器的機電等效電路如圖3 所示。  其中，C。為傳感器的靜態電容，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 [ 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

      電路串聯諧振現象產生于信號頻率fs等于fm時，fs為串聯諧振頻率；電路并聯諧振現象產生于信號頻率fp等于fn時，fp為并聯諧振頻率。

當無機械損耗時：

fm= fs = fr , fa = fP = fn   (3)

當有機械損耗時：

fm < fs < fr； fa < fP < fn     (4 )

1 . 2 主要參數對傳感器壓電效應的影響

      壓電式超聲波傳感器具有正壓電效應與逆壓電效應，無論是正壓電效應還是逆壓電效應，其轉換效率高則說明轉換過程中能量損耗小。流量計量過程中都期望正壓電效應與逆壓電效應轉換效率盡可能高一些，即轉換后信號幅值與轉換前的信號幅值之比大，這樣會更便于轉換后小信號的識別，更能保證時間差的計算精確度。

(1)諧振頻率對壓電效應影響的分析。如圖3 所示，在諧振頻率點，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，傳感器轉換效率最高; 偏離諧振頻率點較遠時，右側分支電路L1、C1、R1中就會存在L1 與C1 ，就會因為心與的存在而產生無功功率、減少有功功率。 P = U²/R可知，若阻值不變 ，功率減少，則R1壓降就會減少，進而使傳感器轉換效率下降。

(2)靜態電容對轉換效率的影響。根據電路理論可知，隨著傳感器的靜態電容的增加，無功功率也將隨之而增加，而激勵信號產生的總功率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系。由 P = U²/R可知，傳感器阻抗保持穩定時，有功功率的減少會導致輸出電壓降低 ，進而降低了傳感器的轉換效率。

1 . 3 聲波收發特性分析

      超聲波傳感器聲波收發狀態是動態的，振動特性和電信號的響應都是時間的函數，傳感器的動態特性決定著傳感器的轉換效率。流量計量時，傳感器是成對工作的，互為發送/接收信號，同時信號處理電路也對稱使用，要求傳感器的特性  具有一致性，接收與發送信號互為交換后，呈現的特性具有較高的相似性，否則將會出現閾值偏差、相位偏差等現象，進而會產生較大的計量誤差。

2 傳感器的測試方法及設計

2 . 1 測試項目及整體結構設計

      為保證傳感器的一致性，要針對諧振頻率與反諧振頻率、諧振阻抗與反諧振阻抗、輸出幅值、  靜態電容、轉換效率等進行測試，保證用于同一流量計的一對傳感器主要特性的一致性。圖4為設計裝置結構框圖。

圖 4 參數測試裝置整體結構框圖

      針對諧振頻率與反諧振頻率的測試采用傳輸線路法，針對諧振阻抗與反諧振阻抗的測試采用替代法，針對傳感器輸出幅值的測試采用脈沖激勵信號法，針對靜態電容的測試采用交流容抗法。

2 . 2 信號調理電路設計

圖 5 測試裝置硬件總體框圖

2.2. 1 檢 波 電 路

      因為傳感器信號衰減很大且很微弱，同時，接收到的電信號是含有被測量信息的調制信號，所以需要對再次接收到的電信號進行檢波、濾波、放大等信號調理。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

      要求裝置產生頻率在 100 kHz〜4. 5 MHz，圖 6的運算放大器AD8063和二極管1N4 1 4 8均為 高速型。

圖 7 中，運放A 與二極管 D5、D6 以及電阻及55和構成半波整流部分 ，運放B與電阻R57、R58、R59共同組成一個信號加法器的結構。

2. 2. 2濾波電路

      濾波的目的是濾出檢波后信號存在的髙頻干  擾 ，提取待測傳感器輸出信號的低頻部分。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

      根據基爾霍夫電流定律可知，M 點的電流方程為式（5):

p 點的電流方程為式（6):

聯立公式（5)和 （6 ) ，可求得R27和R26:

電路中相關參數計算與選擇結果如下：C37 =  lpF、C38 = lnF、R26 = R27 = 1. 2 kΩ、R28 = 4. 7 kΩ、 R45 = 16. 3 kΩ

2 . 3 測試模塊設計

2. 3. 1 頻率測試模塊 

      如圖 9 所示，信號發生器給傳感器輸入幅值固定、頻率可變的激勵信號，采樣電阻A 將傳  感器工作電流轉換為電壓信號，諧振頻率點的傳感器工作電流最大、等效阻抗最小，反諧振頻率點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，利用固定幅值、固定頻率的激勵信號激勵傳感器并測試電阻兩端電壓再讓可調電阻圪與電阻串聯，調整可調電阻圪阻值使電阻上的電壓，此時可調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是一個模擬工況環境設計的測試單個傳感器示意圖，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，把傳感器面朝下放置在位于頂板的圓孔上，傳感器經過逆壓電效應與壓電效應的兩次轉換實現了電信號  (傳感器發出）一機械波 （介 質中傳輸、底板發  射）一電信號（傳感器接收）的兩次轉換。

圖 1 1 傳感器幅值測試示意圖

2 . 3 . 4 靜態電容測試 

      壓電式超聲波傳感器不加激勵信號時等效為  電容，在此條件下測試得到的電容值即為傳感器  的靜態電容C。。給傳感器加載低頻激勵信號，通  過 C/ f/轉換電路把傳感器靜態電容值轉換成與  之成正比的電壓值。

3 測試結果及分析

      采用標準儀器與本設計的測試裝置分別對傳  感器樣品進行測試并比對分析。

(1) 諧振頻率與反諧振頻率：采用頻率特性  測試儀作為標準儀器，型號為SA1005D; 

(2) 諧振阻抗與反諧振阻抗：采用電阻箱、示  波器、函數信號發生器作為標準儀器，型號分別為  ZX32D.TDS2012C.DG1022U； 

(3) 幅值測試:采用示波器、水浴鍋等作為標  準儀器，示波器型號為TDS2012C ;

(4)靜態電容:采用LCR測試儀、標準電容盒  作為標準儀器，型號分別為TH2811C、ATCDB12。

3 . 1 諧振頻率（阻抗）與反諧振頻率（阻抗）

       連續進行了 5 次測試實驗，數據如表 1 所示。  表中標準儀器測試數據記為I，設計裝置測試數據  記為n。由表 1 可知，設計裝置與標準儀器測試結  果中，諧振頻率的最大偏差值是 3 kHz,出現在第 1、3、4行數據中，最大相對誤差為0. 3 % ;反諧振頻  率的最大偏差值也是3 kHz，出現在第5 行數據中，  最大相對誤差為0.29%。對比可知，設計裝置讀數  穩定，測試結果一致性好，滿足設計要求。

      由表 1 可知，設計裝置與標準儀器測試結果  中，諧振阻抗的最大偏差值是3 n ，出現在第 5 行  數據中，最大相對誤差為 7. 3 % ; 反諧振阻抗的最  大偏差值也是 3 kHz,出現在第 3 行數據中，最大  相對誤差為0 . 3 4 %。對比可知，設計裝置輸出值  穩定，測試結果一致性好，滿足設計要求。

3 . 2 靜態電容

      設計裝置靜態電容測試范圍為1〇〇〜2 400 PF，  用標準電容盒作為標定設備，每隔1〇〇 p F測試一  次結果、重復測試 5 次 ，測試數據如表 2 所示，為  簡化表格，選取 1〇〇、500、1 500、2 000、2 400 pF  5 個點的數據。由 表 2 可知，設計裝置與標準儀  器測試結果中，針對電容盒的 5 個電容值（100、  500、1 000、1 500、2 400 PF) ，標準儀器實測電容  的最大偏差值分別為9、8、18、8、68 PF，最大相對  誤差為 9 % ，出現在第 1 列數據中；設計裝置實測  電容的最大偏差值分別為5、5、10、0、0 PF，最大相  對誤差為 5 % ，也 出 現 在 第 1 列數據中。對比可知 ，設計裝置輸出值穩定，測試結果一致性好，滿  足設計要求。

3 . 3 發射幅值與回波幅值 

      表 3 為發射與接收幅值的5 次測試數據。從  表 3 可以看出，因為對輸出信號做了必要的調整，  所以無論是輸出信號的幅值還是信號的一致性，  設計裝置都有了很大的改善。設計裝置對傳感器  輸出信號進行整流濾波放大之后進行讀數，因此  測試數據相對較大。

表 3 發射幅值與回波幅值實驗數據

3 . 4 配對實驗

      實驗方案如圖 1 1所示，以 5 只傳感器為例，  測試條件：1)將樣品放置在設定溫度的水浴鍋中  加 熱 10 min，使兩者溫度達到一致；2 )設定水浴  鍋 在 30 t 〜90 T 溫度范圍內可調，測試數據取  樣間隔溫度為 10 T ;3)測試對應溫度的傳感器  輸出幅值。

自收自發條件下傳感器輸出幅值的測試數據  如表 4 所示，圖 1 2為自收自發測試數據曲線圖。

      由表 4 與 圖 1 2可知，1 號、2 號傳感器特性接  近，3 號、4 號傳感器特性接近。根據一收一發測  試數據選擇傳感器配對的有效性，將 1 號與 2 號、  3 號與 4 號分別在工況條件下進行互為收發的配  對實驗，測試結果如表5 所示。表中“1—2”表示 1 號傳感器發送信號，2 號傳感器接收信號，圖 13  為一收一發配對數據曲線圖。

圖 1 2 自收自發數據曲線圖

圖 13 —收一發數據曲線圖

      由表 5 與 圖 1 3數據分析可知，1 號、2 號傳感  器配對后收發特性接近，3 號、4 號傳感器配對后  收發特性接近，而特性接近的傳感器轉換效率也接近，信號傳輸過程中衰減也接近,信號處理電路  中信號的上升率與相位移也接近，這樣就可以更  好地保證流量計量精確度。

需要說明的是，流量計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  有很大關系。所以，兩只配對傳感器特性相似度  的量化值，需要在確定的生產工藝、參數比較穩定  的環境下做標定，將標定值作為檢測參數用于生  產實踐中。

4 結束語

      針對目前超聲波流量計生產過程中存在的因 傳感器性能一致性差而帶來的超聲波流量計精確度不高、產品合格率低等問題，通過理論分析及大量實驗，提出了一種可以用于同一支超聲波流量  計上的一對超聲波傳感器的測試方法，并給出傳  感器配對選擇的依據，以及給出具體測試的關鍵  電路設計方法。實驗數據分析證明了理論分析與  具體設計的有效性，該裝置已經應用于生產實踐，  生產效率與成品率都有很大提高。

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