超聲波流量計探頭設計及測時誤差修正

摘要:利用超聲波測量流體流量是超聲波在工業檢測中發展較早的應用技術之一。性能較好的超聲導波探頭及其固定裝置對于整個裝置性能具有重要作用，本文主要對于超聲波探頭設計的各個方面進行探討，最后還對于測時誤差和修正方法進行分析，對于今后超聲波流量計設計和使用具有一定作用。

關鍵詞:超聲波流量計 探頭設計 材料選擇 誤差修正

0 引言

超聲導波探頭是超聲導波檢測系統的重要組成部分，在利用超聲導波技術對管道進行缺陷檢測時，它與管道直接接觸，用于在管道中激勵和接收超聲導波。而激勵接收導波的質量是能否利用超聲導波技術進行流量測量的關鍵，可以說，超聲導波探頭的性能直接影響到整個檢測系統的性能和可靠度。此外，由于每個探頭還需要一定的壓力使其緊密地干耦合在管道表面，而使能量達到最大程度的傳遞，因此還需要一個探頭固定裝置來固定探頭并且對探頭施加壓力[1，2]。

1 超聲波探頭

導波探頭的研制主要是利用現有探頭的研制技術，結合管道這種檢測對象的要求從以下幾個方面著手:壓電元件及其振動模式;合適的背襯材料及其配比;保護層的材料及其厚度;合理的外型設計。本課題采用直探頭，直探頭也稱平探頭，可發射及接收縱波。由壓電晶片、阻尼塊(吸收塊)及保護膜組成。

1.1 壓電元件 壓電元件是壓電探頭中的心臟部分。壓電元件為圓板性，兩面有銀質敷層，作為導電的極板，底面接地線，上面接導線引至電路上。在壓電元件上施加以外電場，在壓電元件的某個方向就會產生振動，這種振動藕合到構件上，壓電探頭就會在構件中激勵出某種應力波。本章所研制的超聲導波探頭同樣是基于這種性質在管道中激勵和接收超聲導波。

采用鎬鈦酸鉛壓電陶瓷作為壓電材料，鎬鈦酸鉛壓電陶瓷簡稱PZT，它是PbTiO3和PbZrO3固溶體為基的組成物，在較大的溫度范圍內性能都比較穩定，作為換能器材料，其壓電效應非常顯著，具有高的機電耦合系數和壓電應變常數、彈性常數和壓電常數。其中的PZT5系列在低功率情況下，共振狀態和非共振狀態都可使用，適于制作收發兩用探頭。采用厚伸縮振動模式，即當在壓電陶瓷的上下兩極加電壓時壓電陶瓷在厚度方向上伸縮，其伸縮振動頻率在其諧振點上為最好。綜合考慮各種因素，而且壓電陶瓷的諧振頻率由其厚度決定，所以我們采用直徑25mm，厚度為2mm，諧振頻率為1MHZ頻率的壓電陶瓷。

1.2 探頭被襯面 當吸收塊的聲阻抗等于晶片的聲阻抗時，效果最佳。這里主要采用環氧樹脂和鎢粉來配制，背襯的主要材料是環氧樹脂，使用鎢粉是因為它的聲阻抗高。在實際中這種特殊合成體可獲得聲阻抗的數值從2.5×106~40×106Pa·S范圍內(相應的聲波速度為2~2.6km/s)的材料。背襯材料中，環氧樹脂、固化劑和鎢粉的比例大致是20:5:1，通過實驗觀察，這種比例的混合物在室溫條件下兩個小時左右開始固化，在大致八小時后達到最大固化程度。這些結果將為后面的是實際澆注工作做好了準備。

1.3 探頭保護層 壓電陶瓷比較脆，在受到較大的外力，如擠壓時會使壓電陶瓷斷裂或破碎。直探頭為了避免晶片與工件直接接觸而磨損晶片，在晶片下粘合一層保護膜，保護膜有軟性和硬性兩種。軟性的可用薄塑料膜(厚約0.3mm)，與表面粗糙的工件接觸良好。硬性的可用不銹鋼片或陶瓷片等。保護膜的厚度，為二分之一波長的整數倍時(在保護膜中的波長)，聲波的穿透率最大:厚度為四分之一波長的奇數倍時，穿透率最小。

如果壓電陶瓷和負載之間聲阻抗差別太大，那么透射過界面的聲波將會越少，此時就需要在壓電陶瓷和負載之間加入匹配層，已達到阻抗過渡，增加透射聲波，但是這里，負載已經確定為管道，管道的材料為一般為鋼質，壓電陶瓷的密度為7500Kg/m3，鋼的密度為7840Kg/m3，因此它們的聲阻抗之間的差距不是很大。影響保護層層內損失的因素主要是保護層的厚度，保護層的厚度越大，層內損失就越多，因此希望保護層的厚度盡可能小。工程上，保護膜的厚度值常采用四分之一波長，但是，要設計出性能比較好的探頭，保護膜的厚度將不是理論值X29]。而且，本課題研制的探頭用于管道檢測時需要承受較大的壓力，因此為確保壓電陶瓷不受損壞，保護層還不能太薄。綜合考慮各種影響因素，要求保護層的厚度在100微米到200微米之間。確定保護層的材料時，首先考慮的是比較常見的金屬片，在100微米到200微米的鋁片硬度太小，而銅片容易生銹，因此選用100微米厚度的不銹鋼片。在此尺寸間的不銹鋼片比較常見，而且具有一定的強度和柔韌性，此外，鐵的密度為7700K/m3，介于壓電陶瓷和鋼管之間，從理論上來說，也能起到阻抗匹配的作用。

1.4 探頭外形 探頭外型的設計中主要考慮的是壓電陶瓷的形狀和特點以及若干個探頭在管道周圍的匹配問題。目前最常用的壓電探頭主要采用厚度伸縮型壓電陶瓷，探頭外型為圓柱形。這主要是因為厚度伸縮型壓電陶瓷可以加工成任意形狀，并且這樣的探頭一般只是單個使用。在探頭外殼設計中還要考慮壓電陶瓷電極引線問題。由于需要在探頭上施加壓力，根據探頭的整體設計方案，探頭系統在設計安裝后，只有一個面是自由的，因此只能從這個自由面引線，考慮到這個信號線抗干擾問題，采用同軸電纜。

1.5 探頭成型 在探頭的壓電陶瓷、保護層、背襯層和外型等各部分的尺寸和材料都確定之后，下一步就著手進行探頭的制作。探頭的制作過程總體上來說分為下面幾步:制作保護膜;在保護膜上粘貼壓電陶瓷片;在壓電陶瓷的兩個電極和同軸電纜對應的兩個電極上分別焊接導線;進行背襯層的澆注;探頭外殼后蓋的密封;探頭成型。

2 測時誤差和修正方法

用時差法測到的聲時T中，除了包括我們所要測量的超聲波在媒質中傳播的聲時，電纜中的延時和聲波透過耦合層和探頭透聲面的延時。當儀器、探頭和電纜固定后這些額外的延時也就基本不變，只有接收信號的觸發電平延時將隨著接收幅度的大小而改變。其原因是接收波本身不是理想的正弦波，它的前沿總是按一定的斜率上升的，而觸發電平也不可能等于零。顯然，當接收信號的頻率高、幅度高而觸發電平低時，這個延時就短些，反之就長些。所以在測量中，我們應盡可能選擇較高的頻率，對接收信號要充分放大，要求嚴格時應進一步考慮采用自動增益控制或經常監視接收幅度等方法來減小這個延時并盡可能使它不變。

我們可以用兩種方法來求出這些額外的延時的總和∑δ。第一種方法是在聲速c0為已知的媒質中，使超聲波傳播一定聲程L，所需要的聲時應為T0=L/c0，如用聲速儀測得的聲時為T，則可得∑δ=T-T0=T-L/c0

第二種方法是在固定媒質中改變聲程的辦法。如果兩次測量的聲程分別是L1和L2，用聲速儀測得的聲時分別是T1和T2，那么

由此得

如果不改變聲程而利用一次回波和二次回波，則上式仍可利用，而因L2=2L1，故∑δ=2T1-T2。

求出額外的延時∑δ后，在對其他媒質進行測量時，如果能保持接收幅度不變，就可利用正確的聲時T0=T-∑δ，求出c0=L/T0。

3 結語

較詳盡地論述了超聲波探頭的制作過程，包括晶片的選擇、制作形狀、吸聲塊的各化學物質的配比等。并對測時誤差和修正方法進行了介紹。超聲波探頭制作的成功與否直接關系到超聲波流量計能否進行檢測。

參考文獻:

[1]蔡劍明.時差式超聲波流量計的原理及應用[J].內蒙古科技與經濟， 2007，(24).

[2]王清偉，邱儉軍.一種提高超聲波流量計測量精度的補償算法[J].聲學與電子工程，2009，3.