韓德龍，陳青松，馮紅亮

一種超聲波流量換能器的設(shè)計

韓德龍，陳青松，馮紅亮

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

基于ANSYS有限元分析軟件，并結(jié)合理論分析，對用于常溫下煤油等液態(tài)燃料流量計量的超聲波換能器的壓電晶片、匹配層進行研究。選用厚度2mm的PZT-5A壓電陶瓷圓盤作為壓電晶片，金屬鋁、聚苯乙烯為匹配層，GCC2002+鎢粉、E51-618+鎢粉為背襯層，制備換能器樣機，并搭建流量測試平臺，進行流量測量試驗。試驗結(jié)果證明，匹配層為聚苯乙烯、背襯層為GCC2002+鎢粉時，超聲波換能器性能較好，在60~300g/s的流量范圍內(nèi)誤差為0.3%。

超聲波換能器；諧振頻率；靈敏度；衰減特性；流量

引 言

超聲波是指頻率高于20kHz的聲波。它具有方向性好，穿透能力強的特點，被廣泛應(yīng)用于天然氣、石油等流體流速的測量，并表現(xiàn)出了卓越的可靠性與安全性。超聲波流量計通常由超聲波換能器、信號采集器、數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。其中，超聲波換能器能夠?qū)⒊暡ㄐ盘柵c電信號進行相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)超聲波信號的發(fā)射與接收功能，是超聲波流量計的關(guān)鍵組成部件，其性能將直接影響測量信號的發(fā)射/接收特性，是超聲波流量計能否可靠工作的關(guān)鍵[1-3]。根據(jù)不同的使用條件及測量要求，換能器各部分的材料與尺寸參數(shù)也需要相應(yīng)調(diào)整，因而如何確定換能器的材料及參數(shù)一直是設(shè)計超聲波換能器的難點與重點[4,5]。

本文針對用于煤油等液態(tài)燃料流量測量的超聲波換能器中的壓電晶片、匹配層和背襯層設(shè)計進行了研究，在聲波傳播介質(zhì)為煤油、測量管路直徑為20mm條件下，利用ANSYS有限元分析軟件，研究討論了壓電晶片及匹配層的材料及厚度等參數(shù)的選擇，以及對換能器發(fā)射聲波聲壓、諧振頻率、發(fā)射聲波頻率的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計并制備了換能器原理樣機，結(jié)合p型測量管路及ZXUS-NET型超聲檢測卡搭建流量測量試驗平臺，進行流量測量試驗。試驗結(jié)果表明，以聚苯乙烯為匹配層，GCC2002+鎢粉為背襯層的換能器發(fā)出與接收的信號的靈敏度與反向波衰減特性均較好。

1 換能器設(shè)計與仿真分析

超聲波換能器通常由壓電晶片、匹配層、背襯層與保護外殼等部分組成。其中壓電晶片通過正逆壓電效應(yīng)發(fā)出與接收超聲波信號，其特性將直接決定超聲波換能器諧振頻率等性能。而匹配層則用于降低壓電元件與流體傳播介質(zhì)之間的阻抗梯度，從而提高超聲波能量的傳遞效率，進而提高超聲波換能器的靈敏度。背襯層則抑制和吸收反方向傳遞的超聲波，減少換能器的固有雜波，提高換能器的反向波衰減特性。

1.1 壓電晶片材料及尺寸設(shè)計與仿真分析

當(dāng)壓電晶片受到脈沖電信號激勵時，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，壓電晶片產(chǎn)生伸縮變形，將電能轉(zhuǎn)換為聲能，換能器發(fā)射超聲波；反之，當(dāng)壓電晶片接收超聲波時，壓電晶片產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能，換能器接收超聲波。

壓電晶片發(fā)出聲波的能力與其材料、振動模式及尺寸參數(shù)有關(guān)。根據(jù)不同的使用條件及性能要求，采用的材料、振動模式及尺寸參數(shù)也有相應(yīng)的改變。

不同的壓電材料的機電耦合系數(shù)k、壓電應(yīng)變常數(shù)d、壓電電壓常數(shù)g、介電常數(shù)與彈性常數(shù)等性質(zhì)都存在差異，其適用環(huán)境也有所不同。針對煤油等液態(tài)燃料小流量下的流量測量，超聲波探頭需要在常溫、小功率條件下穩(wěn)定發(fā)射與接收超聲波信號。相比于鈦酸鋇(BaTiO3)、PZT-4、PZT-8、偏鈮酸鉛（PbNb2O6）等壓電材料，PZT-5A型壓電陶瓷具有較高的機電耦合系數(shù)、很高的壓電應(yīng)變常數(shù)，其機電參數(shù)的時間與溫度穩(wěn)定性均比較優(yōu)異，適用于低功率的收發(fā)兩用型超聲波換能器，故選用PZT-5A型壓電陶瓷作為換能器壓電晶片材料[6]。

壓電晶片形狀有圓盤狀、圓柱狀、長方體狀等，對應(yīng)的振動模式也有厚度振動、徑向振動、彎曲振動等形式，其適用的振動頻率范圍也有所不同。針對液態(tài)流體的流量測量，通常要求檢測用超聲波頻率為1~2MHz。選擇1MHz作為檢測用超聲波頻率，對于該頻率，長度振動與厚度振動模式皆可以實現(xiàn)，根據(jù)擬定的換能器結(jié)構(gòu)，厚度振動可以更好地獲得較為集中的聲波，更適于超聲波信號的收發(fā)，故選擇厚度振動模式為壓電晶片工作模式。

根據(jù)駐波理論，忽略邊緣效應(yīng)，厚度振動模式的壓電晶片在高頻脈沖電信號激勵下發(fā)生諧振時，其參數(shù)滿足如下條件

式中，h為晶片厚度，為晶片中的縱波波長，CL為晶片中縱波的波速，f為壓電晶片諧振頻率。通過相關(guān)資料可知，常溫條件下，PZT-5A材料中縱波傳播速度CL約等于3900~4400m/s，由公式（1）可得，當(dāng)選取的檢測用超聲波頻率為1MHz時，PZT-5A壓電晶片厚度的理論值h約等于1.95~2.20mm。

考慮到實際中壓電晶片直徑并非無窮大，壓電晶片的實際諧振頻率與公式（1）計算得到的結(jié)果并不完全一致，故使用ANSYS有限元分析軟件進行仿真驗證。

利用ANSYS有限元分析軟件，采用SOLID5單元建立直徑15mm，厚度2mm的PZT-5A壓電晶片三維模型，通過ANSYS諧響應(yīng)分析，對壓電晶片上表面施加有效值20V，頻率范圍500~1500kHz的正弦激勵電信號，將壓電晶片下表面接地。得到壓電晶片表面振幅與正弦激勵電信號頻率關(guān)系及振動形變模式分別示于1、圖2：

由仿真結(jié)果可知，直徑15mm，厚度2mm的PZT-5A壓電晶片振動模式為厚度振動時，諧振頻率約為0.97MHz約等于1MHz，滿足目標(biāo)要求。根據(jù)理論及仿真分析結(jié)果，確定以直徑15mm，厚度2mm的PZT-5A圓盤作為換能器壓電晶片。

圖2 壓電晶片振動形變圖

1.2 匹配層材料與尺寸設(shè)計與仿真分析

可知，此時只有很少一部分聲能透射出來，很大程度上影響了流量測量的靈敏度，所以需要在超聲波換能器中加入匹配層作為過渡介質(zhì)，提高聲能傳遞效率，進而提高靈敏度。若采用單層匹配層，理論上聲強透射系數(shù)近似為[7]

式中，3為匹配層的聲特性阻抗、3為匹配層厚度。

考慮到實際偏差，利用ANSYS有限元分析軟件，分別對匹配層為金屬鋁、環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯時，厚度分別為1.4~1.9mm、0.3~0.8mm、0.3~0.8mm時，對超聲波換能器的激勵響應(yīng)進行瞬態(tài)分析，建立的換能器位于流體介質(zhì)（煤油）中二維仿真模型。

通過ANSYS瞬態(tài)分析模擬壓電晶片在受到20V，0.5μs的脈沖信號激勵情況下，分別采用環(huán)氧樹脂、金屬鋁、聚苯乙烯作為匹配層材料時，隨著匹配層厚度的變化，距離換能器20mm處流體中的聲壓峰峰值、以及聲波頻率的變化。同時，由于環(huán)氧樹脂聲阻抗特性隨其成分及固化條件不同而不同，擬采用常溫固化條件下E51-618的環(huán)氧樹脂進行仿真。仿真結(jié)果統(tǒng)計后如下圖所示：

由仿真結(jié)果可知，在上述參數(shù)設(shè)定下，相比于常溫固化條件下的E51-618環(huán)氧樹脂與金屬鋁材料，匹配層為聚苯乙烯材料時不論是換能器發(fā)出的聲波聲壓大小，還是發(fā)出聲波的頻率都要更符合要求。并且當(dāng)聚苯乙烯匹配層厚度為0.6mm時，換能器靈敏度達(dá)到最大，此時距換能器20mm處液體中的聲壓峰峰值達(dá)到33343Pa。根據(jù)圖3仿真結(jié)果，相比于環(huán)氧樹脂E51-618，當(dāng)匹配層采用聚苯乙烯與金屬鋁時，換能器靈敏度較大，故在設(shè)計中可采用金屬鋁或聚苯乙烯作為換能器匹配層材料。

圖3 聲壓峰峰值比較

圖4 聲波頻率比較

1.3 背襯層材料設(shè)計與分析

換能器的背襯層根據(jù)背襯材料的性質(zhì)，通?？梢苑譃檩p背襯和重背襯兩種。輕背襯通常采用空氣作為背襯材料，能夠保證換能器的高靈敏度和工作頻率的穩(wěn)定。重背襯通常采用重金屬或由鎢粉配置的混合物作為背襯材料，能夠提高換能器的分辨率，降低換能器的噪聲，并起到一定的密封及保護換能器的作用。

當(dāng)將超聲波換能器用于液態(tài)流體的流量測量中時，由于采用互相關(guān)方法對換能器信號進行分析處理，故對于信號的信噪比、分辨率都有一定的要求，因此需要采用重背襯。本文采用環(huán)氧樹脂E51-618+鎢粉（質(zhì)量比1:2）與環(huán)氧樹脂GCC2002+鎢粉（質(zhì)量比1:2）制作超聲波換能器背襯層，并通過澆灌法與壓電晶片連接。

2 換能器樣機制備

基于仿真與理論分析結(jié)果，分別制備了換能器a和換能器b兩種樣機，優(yōu)化超聲波換能器設(shè)計方案示于圖5。兩種樣機的不同點在于：

換能器a的匹配層為1mm厚度的聚苯乙烯、背襯層為環(huán)氧樹脂GCC2002+鎢粉（質(zhì)量比1:2）；

換能器b的匹配層為1.7mm厚度的金屬鋁、背襯層為環(huán)氧樹脂E51-618+鎢粉（質(zhì)量比1:2）；

兩種樣機的共同點在于換能器外殼采用機加金屬鋁制成；電極層均通過DAD40導(dǎo)電膠將壓電晶片與外殼粘接連通；采用導(dǎo)電片從壓電晶片正極連接高頻同軸線纜引出信號。

制備完成后換能器樣機實物如圖6所示。

對換能器波形圖分析，可知：

換能器a接收到的超聲波信號峰峰值遠(yuǎn)高于換能器b，其靈敏度約為換能器b的1.78倍，可知以聚苯乙烯為匹配層時，在該應(yīng)用條件下，換能器匹配特性較金屬鋁更優(yōu)良，超聲波信號的傳遞效率更高。

圖5 換能器結(jié)構(gòu)

圖6 換能器實物

圖7 換能器a波形（增益25db）

圖8 換能器b波形（增益30dB）

相比于換能器b，換能器a的衰減特性更好，當(dāng)信號振幅達(dá)到最大后并衰減為峰值的1/3時，經(jīng)過的時間約為1.5個周期，是換能器b花費時間的3/8。可知相比于環(huán)氧樹脂E51-618+鎢粉（質(zhì)量比1:2），環(huán)氧樹脂GCC2002+鎢粉（質(zhì)量比1:2）對反向波的衰減特性更好，更適于作為該條件下?lián)Q能器的背襯材料。

3 流量測量試驗

對60~300g/s范圍的流量進行了測量。試驗時，搭建的流量測量系統(tǒng)利用超聲波順逆流傳播時間差和p型測量管參數(shù)計算得到流體的流量，同時通過計時稱重法測量該流量，對兩種方法的測量結(jié)果進行比較，分析所研制的超聲波流量測量換能器的性能，試驗結(jié)果示于表1。

表1 換能器a流量測量試驗結(jié)果

表2 換能器b流量測量試驗結(jié)果

分析測量試驗結(jié)果可知，當(dāng)管道內(nèi)流體流量為60~300g/s時，換能器a中的測量誤差為0.3%；換能器b中的測量誤差為0.8%。換能器a試驗結(jié)果較好。

4 結(jié)束語

針對煤油等液態(tài)流體小流量下的流量測量，本文利用ANSYS有限元分析軟件，結(jié)合理論分析，設(shè)計并制備了分別以聚苯乙烯為匹配層，環(huán)氧樹脂GCC2002+鎢粉為背襯層的換能器a和以金屬鋁為匹配層，環(huán)氧樹脂E51-618+鎢粉為背襯層的換能器b。測試表明，采用聚苯乙烯為匹配層的換能器激發(fā)超聲波的靈敏度優(yōu)于金屬鋁為匹配層的換能器；采用GCC2002+鎢粉為背襯層時，換能器對反向波的衰減特性及信噪比均優(yōu)于E51-618+鎢粉背襯。流量測量證明，采用聚苯乙烯為匹配層、GCC2002+鎢粉為背襯層的換能器構(gòu)建的試驗裝置在60~300g/s范圍內(nèi)，可實現(xiàn)測量誤差小于0.3%。

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Design of an ultrasonic flow transducer

HAN Delong, CHEN Qingsong, FENG Hongliang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Based on ANSYS finite element analysis software and theoretical analysis, the piezoelectric wafer and matching layer of ultrasonic transducer are studied. Two kinds of ultrasonic transducers are designed for the measurement of liquid fuel such as kerosene at normal temperature conditions. The transducers use 2mm thick PZT-5A piezoelectric ceramic disc as the piezoelectric wafer, and use metal aluminum and polystyrene as matching layers respectively, and use GCC2002+tungsten powder and E51-618+tungsten powder as backing layers respectively. It is proved by experiments that the ultrasonic transducer made of polystyrene and GCC2002+tungsten powder has better performance, and the error is 0.3% in the flow range of 60~300g/s.

Ultrasonic transducer; Resonant frequency; Sensitivity; Attenuation characteristics; flow rate

TH814

A

CN11-1780(2019)03-0052-06

韓德龍 1994年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為超聲波流量傳感器。

陳青松 1972年生，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為傳感器及儀器儀表。

馮紅亮 1976年生，高級工程師，主要研究方向為傳感器。

2019-03-25

2019-04-29

TEL:010-68382327 010-68382557

Email:ycyk704@163.com