超聲水表是電子水表中最具推廣價(jià)值的水表之一，而壓電換能器則是超聲水表中的關(guān)鍵核心部件，它的性能優(yōu)劣決定了超聲水表工作的穩(wěn)定與可靠。
超聲波頻率是超聲水表與換能器設(shè)計(jì)時(shí)必須共同面對(duì)的重要技術(shù)參數(shù)，考慮到超聲水表中同一換能器承擔(dān)著發(fā)射和接收超聲波的雙重功能，因此需要在兼顧發(fā)射與接收兩方面性能的同時(shí)，理性選擇工作頻率與相關(guān)參數(shù)值，確保超聲水表計(jì)量性能和長(zhǎng)期工作可靠性符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。正確理解和掌握超聲換能器在不同工作頻率下運(yùn)行時(shí)的特性，用科學(xué)方法合理選擇換能器工作頻率，是設(shè)計(jì)高性能超聲水表的重要環(huán)節(jié)之一。
1 換能器工作原理與主要特性
超聲水表?yè)Q能器通常采用壓電陶瓷材料作“電-機(jī)-聲”轉(zhuǎn)換元件，在阻抗匹配和背襯材料共同作用下，可以完成超聲波的發(fā)射、傳輸與接收等任務(wù)。當(dāng)前，壓電陶瓷元件幾乎都采用薄圓片厚度伸縮振動(dòng)模式進(jìn)行工作。壓電換能器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常是由薄圓片壓電元件、表面覆蓋銀層(電極面)、阻抗匹配層、背襯吸收層和換能器外殼等構(gòu)成。
2 換能器工作頻率選用準(zhǔn)則
超聲波在水中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，其強(qiáng)度會(huì)隨傳播距離增加而下降。影響衰減的主要原因是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)存在著吸收、散射和擴(kuò)散等效應(yīng)，并以吸收和散射為主。當(dāng)分別采用1 MHz 和4 MHz 頻率的激勵(lì)信號(hào)用于相應(yīng)固有頻率的發(fā)射換能器時(shí)，根據(jù)式，1 MHz 頻率超聲波在水中的衰減量約為 4 MHz 頻率超聲波的1 /16。換句話說(shuō)，在同樣傳播距離下，4 MHz 頻率換能器接收到超聲波信號(hào)的幅值是 1 MHz 頻率時(shí)的 1 /16。
3 衰減特性
上文已經(jīng)提到，超聲波在水介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生顯著地衰減，且工作頻率越高其衰減程度越嚴(yán)重;同時(shí)，在接收同樣發(fā)射強(qiáng)度的超聲波信號(hào)時(shí)，4 MHz換能器接收到的信號(hào)幅值將是 1 MHz 換能器的 1 /16。在大口徑水表應(yīng)用中，兩換能器之間的聲距會(huì)大大增加，因此超聲波信號(hào)傳輸?shù)乃p問(wèn)題就會(huì)更加凸顯。
4 脈沖數(shù)
根據(jù)上文分析，提高換能器工作頻率，可以在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲得較多的脈沖周期數(shù)，便于用較多的過(guò)零檢測(cè)點(diǎn)通過(guò)求平均的方法獲得換能器較穩(wěn)定的接收信號(hào)時(shí)間終止點(diǎn)。
5 頻率漂移影響
換能器工作頻率變化會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)時(shí)間終止點(diǎn)發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)影響超聲水表測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。紅色細(xì)實(shí)線反映了因工作頻率漂移使接收信號(hào)時(shí)間終止點(diǎn)(即過(guò)零檢測(cè)點(diǎn))發(fā)生 δ 位移量。因此，在相同量值的頻率變化影響下，如采用較高頻率換能
器，其頻率影響量就會(huì)顯著減少?？梢宰鞒龃致耘袛?，4 MHz 工作頻率換能器的影響程度約為 1 MHz 頻率影響程度的 1 /4。
6 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，超聲水表?yè)Q能器工作頻率的選用與超聲水表的性能密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)超聲水表時(shí)，應(yīng)綜合考慮工作頻率對(duì)超聲水表各相關(guān)方面的影響。當(dāng)超聲水表公稱通徑比較大(如大于 DN200)的情況下，建議選用較低的換能器工作頻率 ，這樣可以使超聲波傳播距離增加，減少超聲波發(fā)射(激勵(lì))功率;對(duì)中小公稱通徑的超聲水表，可以考慮選用較高的換能器工作頻率( 如 4 MHz) ，便于較準(zhǔn)確地控制好超聲波接收時(shí)間終止點(diǎn)，提高超聲水表測(cè)量重復(fù)性，減少測(cè)量誤差，降低換能器制造成本等。
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