超聲壓電換能器工作頻率的溫度自動補償系統研究

鄭錫斌，鮑 敏

（浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018）

超聲壓電換能器工作頻率的溫度自動補償系統研究

鄭錫斌，鮑 敏

（浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018）

超聲壓電換能器是中小口徑超聲波流量計的核心部件，工作環境溫度會直接影響超聲壓電換能器的最佳工作頻率，導致流量計計量不準確。以雙通道超聲波流量計為平臺，設計了一個超聲壓電換能器工作頻率的溫度自動補償系統。通過實驗獲取不同工作環境溫度下的超聲壓電換能器最佳工作頻率，并以性能最接近的兩對超聲壓電換能器最佳工作頻率的均值作為激勵發射頻率；設計了一個激勵脈沖信號發射系統，根據工作環境溫度通過查表法獲取超聲壓電換能器的激勵發射頻率，自動完成超聲壓電換能器工作頻率的溫度補償。通過實驗分析了溫度補償系統對流量計渡越時間和流量標定的影響，結果表明：該系統能夠實現超聲壓電換能器溫度自動補償；經過溫度補償的超聲波流量計引用誤差控制在1.5%之內，達到二級精度儀表標準。

超聲波流量計；壓電換能器；工作頻率；溫度

0　引 言

超聲波氣體流量計是隨著IC技術高速發展而開始得到實際應用的一種非接觸式儀表［1］，它具有適應性強、準確度高、測量范圍寬等優點［2］。根據信號檢測原理，超聲波氣體流量計的檢測方法主要分為：傳播速度差法、相關法、多普勒效應法、波速偏移法和噪聲法。其中，時差法是傳播速度差法最為典型的一種檢測方法，主要通過測量超聲波在流動流體中順流與逆流的時間差來得到流速信息。

超聲壓電換能器是超聲波流量計的重要組成部件，主要將電信號轉換為聲波信號，或者將聲波信號轉化為電信號，廣泛應用于超聲馬達、超聲焊接、超聲清洗等領域［3］。但是，超聲壓電換能器容易受到外界因素影響，不適宜在惡劣、不穩定的工作環境使用，其中溫度是一個關鍵影響因素［4］。在不同的溫度下，超聲壓電換能器的最佳工作頻率會發生變化，從而導致超聲波流量計的接收波形發生改變，引起流量計渡越時間的過零檢測位置發生變化，進而影響超聲波流量計的計量精度。針對這一現象，余厚全等［5］從溫度和壓力出發，通過RLS算法的自適應濾波對超聲壓電換能器傳輸特性進行校正；黃峰等［6］則嘗試使用最小均方誤差（LMS）自適應濾波算法對超聲壓電換能器的傳輸特性進行補償；Niewczas等［7］運用單個光纖布拉格光柵鍵合到壓電疊堆的技術，對壓電換能器進行溫度補償；Bjurstr?m等［8］利用二次諧波的剪切模式對工作在溫度為25～95℃的超聲壓電換能器進行性能分析和溫度補償。這些方法在運算量和可操作性上都存在較大難度，本文通過改變超聲波流量計的激勵發射頻率，對超聲壓電換能器進行溫度補償，進而調整流量計的信號過零檢測位置，降低計算要求，實現系統低功耗；通過實驗分析溫度補償系統對流量計渡越時間和流量標定的影響，以研究超聲壓電換能器工作頻率的溫度自動補償系統的優劣。

1　系統設計

1.1溫度對換能器的影響機理分析

超聲壓電換能器的等效電路如圖1所示，其中C0為靜態電容，L、R、C1分別為動態電感、動態電阻和動態電容。當壓電陶瓷振子機械損耗為0時，振子的等效電阻等于0，此時振子輸入阻抗與頻率的關系式為：

圖1　超聲壓電換能器等效電路

由式（1）可得振子的最小與最大阻抗頻率分別為：

根據諧振理論，在壓電陶瓷振子最小阻抗頻率fm附近，存在一個使信號電流與電壓同相位的頻率，這個頻率就是超聲壓電換能器的諧振頻率（在本文實驗中，超聲壓電換能器需要進行配對工作，兩個不同換能器的諧振頻率不可能絕對一致，本文以最佳工作頻率作為配對超聲壓電換能器的性能指標參數）；同樣在最大阻抗頻率fn的附近，存在一個使信號電流與電壓同相位的頻率，這個頻率稱為超聲壓電換能器的反諧振頻率。

但是，隨著外界溫度的變化，等效電路的4個參數會發生相應改變。其中：C0、R、C1隨著溫度的升高而變大，L隨著溫度的升高而變小［6］。因此隨著溫度的變化，fm和fn數值也會發生相應改變，導致超聲壓電換能器最佳工作頻率的變化，引起信號幅值與時域波形的改變。因此在實際應用中，超聲壓電換能器的溫度特性影響傳輸和測量精度。

1.2系統設計

根據超聲壓電換能器這一特性，實驗以雙通道超聲波流量計為平臺，設計了一個激勵脈沖信號發射系統，以實現超聲壓電換能器的溫度補償。根據工作環境溫度，調整超聲壓電換能器激勵發射頻率，發出超聲波激勵脈沖信號，來調節信號過零位置，并通過時差法計量樣機流量。

1.2.1系統的硬件電路設計

實驗采用的激勵方式為調幅與調頻相結合的電壓激勵方式，通過電壓調幅使接收波形更加穩定，并尋找電壓頻率突變點來鎖定過零點。據此，設計相應的激勵和接收等電路。

a）超聲波激勵信號電路設計

本設計選用CD4052作為模擬開關，對外接電壓進行選通，超聲波激勵信號電路如圖2所示。

圖2　超聲波激勵信號電路

超聲波激勵信號電路中，CH_A和CH_B負責芯片的選通工作，CH_A和CH_B的高電平必須大于0.7VDD以上才能有效控制CD4052。因CD4052芯片的供電電壓VDD為24 V，而DSP的I/O引腳電壓只有3.3V。如果CH_A和CH_B直接與DSP的I/O引腳相連，會因DSP發出的控制信號太小而無法滿足控制要求，因此需對I/O引腳電壓進行放大處理。本文設計的電路選用2N3904三極管芯片，對DSP的I/O輸出引腳電壓進行放大，電路如圖3所示。

圖3　I/O輸出引腳電壓放大電路

b）超聲波接收電路設計

發送換能器發射的超聲波信號經過管道傳播，信號已經受到嚴重衰減，通常只有幾毫伏到幾十毫伏，需對接收信號進行放大處理［9］。超聲波頻率較大，放大芯片需要有足夠的帶寬，本文選用NE5534芯片對超聲波接收信號進行兩次放大，超聲波接收放大電路如圖4所示。

圖4　超聲波接收放大電路

因DSP自帶的A/D轉換模塊的引腳輸入電壓不能超過3.3 V，需要合理的設置放大倍數，本電路放大倍數控制在500倍左右。

c）溫度檢測電路設計

為了獲取超聲波流量計工作環境溫度，采用三線法雙恒流源的方案。通過恒流源產生一個1 m A的電流，作用于定值電阻和Pt100溫度傳感器上，可保證系統-50～100℃的測溫范圍。通過該方法產生的信號一般為毫伏級，需對小信號進行放大處理。本系統采用差分放大電路，最后通過16位的A/D轉化模塊對信號進行轉化，并傳到DSP進行后期處理，溫度檢測電路如圖5所示。

圖5　溫度檢測電路

溫度檢測電路中，A/D轉換模塊選用16位的ADS8320芯片，其SINAD（信納比）為84 dB。根據ENOB（有效位數）=（SINAD-1.76）/6.02，可得出ENOB約等于14位，滿足本文的精度要求。

2　實驗流程

2.1溫度-最佳工作頻率測定

實驗選用恒溫箱、示波器、信號發生器等設備對超聲壓電換能器的溫度-最佳工作頻率特性進行研究。選取3對超聲壓電換能器，如圖6所示，其最佳工作頻率變化范圍為200 k Hz±4%。配對換能器一個作為發送換能器，與信號發生器相連；另一個作為接收換能器，與示波器相連。

圖6　超聲壓電換能器

安裝固定超聲壓電換能器于流量計殼體聲道，并把殼體置于恒溫箱中進行加熱。由于換能器材料本身不易導熱，因此在不同的溫度下，要求保持恒溫箱加熱不少于60分鐘。當溫度穩定后，設定信號發生器的工作頻率為200 k Hz。通過信號發生器的頻率掃描，觀察示波器的電壓峰值，得到該溫度下超聲壓電換能器的最佳工作頻率。

本文測定了8個不同溫度，3對超聲壓電換能器的最佳工作頻率，兩者關系如圖7所示。

圖7　溫度與配對換能器最佳工作頻率關系

由圖7可見，超聲壓電換能器最佳工作頻率隨著溫度的升高而降低，并且當溫度達到一定程度，配對換能器的最佳工作頻率發生嚴重變化。當溫度在-25～65℃之間時，超聲壓電換能器的最佳工作頻率隨著溫度變化接近成線性關系，且每提高15℃，最佳工作頻率相對-25℃時的最佳工作頻率下降1.24%左右。而當溫度超過65℃時，最佳工作頻率隨著溫度的升高下降極為明顯。

2.2樣機激勵發送頻率設定與溫度補償

本實驗樣機為雙通道流量計，必須選用兩對超聲壓電換能器。在不同的溫度下，兩對換能器的最佳工作頻率不可能達到一致，因此選取兩對換能器的最佳工作頻率均值作為激勵發送頻率，且選用兩對性能最接近的換能器提供樣機使用。本文選用配對二和配對三，它們的溫度-激勵發送頻率關系如圖8所示。

圖8　溫度-激勵發送頻率關系

Pt100溫度傳感器經過溫度檢測電路所得的電壓信號與溫度并不是簡單的正比關系，很難通過具體公式表示兩者關系。如果使用插值、擬合等方式進行數值計算，會給系統帶來較大的計算量。對于實時響應要求很高的超聲波氣體流量計，過多的非線性運算會導致流量計計量緩慢。針對這一情況，本文采用查表法，實現超聲壓電換能器工作頻率的溫度自動補償，提高系統的運算速度。

經過反復試驗，1℃的溫差不會使接收信號波形發生巨變，因此可以設定一個溫度范圍。把與溫度設定值溫差在±0.5℃之間的溫度，設置成相同的激勵發射頻率。以20℃為例，檢測工作環境溫度為19.5℃和20.5℃時，系統的電壓采集值，并以這兩個電壓值作為電壓區間。當系統再次采集數據時，如果采集電壓在該電壓區間內，系統就以20℃的激勵發射頻率發出超聲波信號。

將需要設定的溫度值和與之對應的電壓信號、激勵發送頻率按順序分配方式存入存儲器，構成一個線性表。當系統采集數據時，DSP通過采集數據的電壓值，得到此時工作環境溫度，匹配相應的激勵發射頻率，自動完成超聲波激勵信號的發射。本文對8個不同溫度進行了多次檢測，所得數據以查表法形式進行存儲，如表1所示。

表1　不同溫度的檢測數據

2.3信號渡越時間檢測

超聲波流量計渡越時間檢測通常選用閾值檢測和過零檢測相結合的方案［10］。但在實際情況下，氣體超聲波流量計的超聲波信號受到流體密度、流體速度等外界因素影響，極易發生信號波動。因此不能采用水超聲波流量計中成熟的閾值法渡越時間測量方案，該測量方案通過檢測閾值電壓之后第一個或者第二個過零點進行信號渡越時間檢測。本實驗在此基礎上做了改進，采用激勵發射頻率緊跟1.15倍于激勵發射頻率的激勵脈沖方式，通過閾值電壓和電壓頻率突變點相結合的檢測方式，使用頻率突變點之后第二個過零點進行過零檢測，得到信號渡越時間，激勵脈沖信號如圖9所示。另外，相鄰兩個激勵發射信號的時間間隔約為1.5ms，防止發射信號間隔過短而導致相鄰信號相互激振。

圖9　激勵脈沖信號波形

圖9中，A點為激勵信號電壓突變點，t2/t1=1.15。選擇1.15作為倍數參數，主要由于過高或者過低的倍數，會導致突變點之后的激勵信號頻率因為過于遠離此時超聲壓電換能器的激勵發射頻率，而導致接收信號過于微弱，達不到檢測要求。

3　實驗結果與分析

3.1超聲壓電換能器溫度補償

這里討論超聲壓電換能器工作在零流量、標準狀況下，工作環境溫度為50℃時的溫度補償，接收信號采集波形如圖10所示。其中圖10（a）為20℃下，超聲壓電換能器工作在自身激勵發射頻率時的接收波形，圖10（b）、10（c）分別為50℃下，超聲壓電換能器工作在20℃激勵發射頻率和經過溫度補償后的接收波形。

圖10　接收信號采集波形

圖10中，M、N、O點為接收波形的電壓頻率突變點；X、Y、Z點為過零檢測點，是電壓頻率突變點之后的第二個過零點。為了降低CPU功耗，先不進行電壓頻率突變點的檢測工作。當系統檢測到閾值電壓后，觸發該任務，并尋找頻率突變點之后第二個過零點進行過零檢測。在過零檢測完成之后，再次關閉電壓頻率突變點的檢測任務。

從圖10（b）不難發現，未進行溫度補償的超聲壓電換能器接收波形最大幅值小于閾值電壓，不能通過檢測閾值電壓進行電壓頻率突變點的檢測工作，導致過零檢測點Y漏檢。而由圖10（c）可見，超聲壓電換能器經過溫度補償之后，接收波形最大幅值大于閾值電壓，能夠通過檢測閾值電壓進行電壓頻率突變點的檢測工作，并以突變點之后第二個過零點進行過零檢測，獲得信號渡越時間。因此，本系統設計的超聲激勵信號發射系統達到預期效果，超聲壓電換能器的溫度補償工作達到較好效果。

3.2超聲波流量計流量標定

針對本樣機的流量標定，基準流量來自0.5級渦輪流量計。由文獻［11］可知，通過計算流體沿軸線方向的平均速度VZ，并結合流量修正系數K，可得沿管道截面的平均速度V=K·VZ。在湍流狀態下，流量修正系數K=2n/（2n+1），在流體雷諾數為4000時，n取5.00。

本文選用TMS320F2812的一個CPU定時器，計時系統的渡越時間，并設定芯片主頻為150MHz。給出工作環境溫度50℃時，未進行溫度補償和進行溫度補償的超聲波流量計標定結果，如表2所示。其中未進行溫度補償的流量計，激勵發射頻率為20℃的設定值。由于篇幅所限，這里每組只列出3個計量結果，在實際測量中這是遠遠不夠的。

表2　流量計計量數據

由表2可見，未進行溫度補償的超聲壓電換能器極易導致接收信號過零檢測點的漏檢，使流量計計量失敗。通過溫度補償，能有效避免過零檢測點漏檢的現象。同時，經過溫度補償的流量計引用誤差基本控制在1.5%以內，達到計量精度要求。當工作環境溫度為50℃，經過溫度補償的流量計標定誤差分析如表3所示。

表3　50℃流量計標定誤差分析

4　結 論

本文設計了一個根據工作環境溫度自動調整超聲壓電換能器激勵發射頻率的信號發射系統，完成超聲壓電換能器工作頻率的溫度補償；并通過實驗分析了溫度補償系統對流量計渡越時間和流量標定的影響。實驗結果表明，該系統能夠很好克服因工作環境溫度變化，導致超聲壓電換能器最佳工作頻率改變的缺點；流量計流量標定結果進一步證明該系統的優越性，計量精度達到規定要求。

對超聲壓電換能器的補償，只考慮溫度是遠遠不夠的，超聲壓電換能器的性能還受到外部應力等因素的影響。同時，工作環境溫度變化不但影響超聲壓電換能器的最佳工作頻率，引起信號幅值的變化，信號的時域波形也會發生相應改變，導致過零檢測點的位置偏移。如何解決這些問題有待于進一步實驗研究。

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Study on Automatic Temperature Compensation System of Operating Frequency of Ultrasonic Piezoelectric Transducer

ZHENG Xi-bin，BAO Min
（School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

The ultrasonic piezoelectric transducer is the core component of the ultrasonic flowmeter with medium and small diameter.The operating ambient temperature will directly influence the optimum operating frequency of ultrasonic piezoelectric transducer，thus leading to inaccurate measurement of flowmeter.The paper regards a dual-channel ultrasonic flowmeter as the platform to design a automatic temperature compensation system of operating frequency of ultrasonic piezoelectric transducer.The optimum operating frequency of transducer at different temperature is gained by experiments.The mean value of optimum operating frequency of two pairs of ultrasonic piezoelectric transducers serves as the stimulated emission frequency to design an excitation pulse signal transmitting system.The stimulated emission frequency of ultrasonic piezoelectric transducer is gained according to operating ambient temperature by meter checking method so as to automatically complete temperature compensation of operating frequency of ultrasonic transducer.Then，the paper analyzes the effect of temperature compensation on transit time and flow calibration of ultrasonic flowmeter by the experiment.The result shows that the system can achieve the automatic temperature compensation of transducer.The measurement error of ultrasonic flowmeter can be controlled within 1.5%through the temperature compensation，achieving the requirement of the secondary standard of precision.

ultrasonic flowmeter；piezoelectric transducer；operating frequency；temperature

TH714

A

1673-3851（2015）06-0835-07

（責任編輯：康 鋒）

2014-11-13

國家自然科學基金項目（51106141）；浙江省重點科技創新團隊項目（2011R09024）

鄭錫斌（1990-），男，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事超聲波流量計方面的研究。

鮑 敏，E-mail：mbao@zstu.edu.cn