王 翥,崔曉志,侯春雷

(哈爾濱工業(yè)大學(威海)信息與電氣工程學院,山東 威海 264209)

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超聲波傳感器接收信號強度非對稱性分析及對策*

王 翥*,崔曉志,侯春雷

(哈爾濱工業(yè)大學(威海)信息與電氣工程學院,山東 威海 264209)

針對采用時差法測量流速時,超聲波傳感器順、逆兩向接收信號強度存在的非對稱性、非均勻性問題,提出了一種改善超聲波傳感器性能的方法。根據(jù)超聲波傳感器的波束角、發(fā)聲傳感器與受聲傳感器的間距,分別計算出超聲波沿著波束角中心線和外線到達受聲傳感器表面的時間,進而通過改進壓電元件模塊提出一種縮短信號分別沿著中心線和外線到達受聲傳感器表面時間差的超聲波傳感器設計方法。理論分析可知,該方法可以有效地改善接收信號強度非均勻、非對稱性問題,提高了流量測量精度。

超聲波傳感器;波束角;時差法;非對稱性

眾所周知,超聲波流量計是測量氣體、液體等流體流量的裝置,而超聲波傳感器是超聲波流量計的關鍵件之一。采用時差法測量流體流速時,超聲波在順逆兩向傳輸時,傳播速度與流體速度有疊加,這樣順逆兩向超聲波傳播時間就存在時間差,依此可以計算流體流速[1],進而得出流量值。目前,針對如何提高超聲波傳感器檢測流體流速的精確度問題,國內外學者做了大量研究。文獻[2-3]中分析了超聲波信號發(fā)送波和回波的非線性和延遲特征,通過優(yōu)化算法使時間差的測算進一步精確化,文獻[4]中通過游標卡尺原理放大時間差的計算,從而提高了測量的分辨率及精度,文獻[5-7]中分別通過調整超聲波發(fā)生裝置的安裝位置、鎖相環(huán)跟蹤功能和相控陣列技術以低噪聲的影響,實現(xiàn)流速的精確測量,文獻[8-9]中強調了管道中流速分布非均勻性對流速測量的影響并通過相應的參數(shù)模型提供流速誤差補償,進而提高超聲波流量計的測量精度。但由于超聲波傳播具有指向性,即存在指向角,且在實際中存在層流與紊流的影響,則超聲波到達接收面的中心和周邊存在時間差。因此,便存在受聲傳感器接收信號強度的非均勻性與非對稱性問題。

本文提出了一種改進方法,在現(xiàn)有傳感器技術基礎上,將壓電元件分成兩體結構,在不影響有效接收信號強度的前提下,改善了接收信號的均勻性、對稱性,提高了信噪比,對保證超聲波流量計的測量精確度具有顯著意義。

1 流量計算原理

采用超聲波傳感器基于時差法測量流速的工作原理如圖1所示。

圖1 超聲波順向傳播

圖1中超聲波發(fā)聲方向與流體流速方向一致(順向),同時也存在超聲波發(fā)聲方向與流體流速方向不一致(逆向)的狀態(tài),在此不重復表示。理想狀態(tài)下,設超聲波傳感器間距為l,超聲波在流體中傳播的波速為c,流體流速為v。超聲波順流方向傳播時,超聲波從發(fā)射側到達接收側的時間為t1,逆流方向傳播時,超聲波從發(fā)射側到達接收側的時間為t2,則:

順逆兩向超聲波傳播時間差:

通過測得時間差可得到流體流速,進而計算出流體的流量值[10]。

2 目前技術存在的問題

2.1 超聲波波束角

超聲波發(fā)射波束形狀如圖2所示[11]。某一點發(fā)出的速度為c的超聲波以一定指向角θ發(fā)射,超聲波呈圓盤狀向接收側發(fā)射,且圓盤狀的截面積由小到大。

圖2 實際波束形狀

2.2 理想狀態(tài)下均勻性與對稱性分析

理想狀態(tài)是指流體在管道內的流速是一致的。設超聲波沿順流方向傳播時,波在中心線傳播的時間為t理0+,沿θ方向傳播的時間為t理θ+,則:

因為c?v,所以理想狀態(tài)下超聲波順流方向傳播時,超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差t理+為:

(1)

設超聲波沿逆流方向傳播時,依據(jù)式(1)計算原理可知,超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差t理-為:

(2)

由式(1)、式(2)比較可知:t理+>t理-。

說明超聲波與流速方向一致時,超聲波分別沿中心線與以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差,大于超聲波與流速方向不一致時,超聲波分別沿中心線與以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差。也就是說,當管道內流體流動時,接收到的超聲波存在非均勻性和非對稱性。

圖3 層流與紊流流速分布

2.3 非理想狀態(tài)下均勻性與對稱性分析

對于非理想狀態(tài),液體存在粘滯性而具有兩種流動形態(tài)。液體質點做有條不紊的運動、彼此不相混摻的形態(tài)稱為層流;液體質點做不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的狀態(tài)稱為紊流。圖3為層流與紊流流速分布比較,vmax為軸心線流速,v表示面流速。兩者之間的關系為:

層流:v/vmax=0.5

紊流:v/vmax=0.75-0.9(取0.825進行簡化計算)

2.3.1 層流狀態(tài)下均勻性與對稱性分析

設超聲波沿順流方向傳播時,依據(jù)式(1)計算原理可知,超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差t層+為:

(3)

設超聲波沿逆流方向傳播時,依據(jù)式(2)計算原理可知,超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差t層-為:

(4)

式(3)、式(4)比較可知:t層+>t層-。

2.3.2 紊流狀態(tài)下均勻性與對稱性分析設超聲波沿順流方向傳播時,依據(jù)式(1)計算原理可知,超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差t紊+為:

(5)

聲波沿逆流方向傳播時,依據(jù)式(2)計算原理可知,超聲波沿中心線和以一定指向角方向傳播到達接受面的時間差t紊-為:

(6)

式(5)、式(6)比較可知:t紊+>t紊-。

由上述分析得知:

t理+>t理-,t層+>t層-,t紊+>t紊-

可見,無論流體流速方向與超聲波傳輸方向是否一致,超聲波到達接收側的中心與周邊區(qū)域的時間都會存在一個時間差。即:因為存在指向角θ,所以沿中心線方向的超聲波到達時間要短于超聲波到達周邊區(qū)域的時間,且順向時間差大于逆向時間差。

這樣,就存在以下兩個問題:①超聲波傳感器接收的能量不夠集中,主要原因是中心部位與周邊部位存在接收信號強度的差異[12]。同時,存在接收信號強度的非均勻性,這會降低接收信號的信噪比;②順、逆兩向都存在非均勻性,并且順、逆兩向的非均勻性不一致,這就造成了兩個傳感器接收信號強度的非對稱性,直接影響信號發(fā)生電路與信號接收電路處理信號的效果。

以上兩個問題都影響到流量檢測的精確度。

3 數(shù)據(jù)分析與改進措施

實驗環(huán)境和條件:室內溫度15 ℃～35 ℃,相對濕度25%～75%,大氣壓86 kPa～106 kPa,流量表口徑為DN20,超聲波傳感器的諧振頻率為1 MHz,傳感器直徑14 mm,厚度2.2 mm,超聲波在水中波速1 500 m/s,傳感器間距62 mm。則:

為了說明問題,本文以極端實驗條件為例,即忽略中間狀態(tài),僅分析最大夾角狀態(tài)。依據(jù)計算得知:cos7.5°=0.9914。

計算3種狀態(tài)時間差。

比較可知:

Δt層+>Δt紊+>Δt理+>Δt理->Δt紊->Δt層-

層流比紊流狀態(tài)下的時間差更明顯。為便于敘述,采用特征更為明顯的層流來說明接收信號時間差、接收信號強度和流體流速的關系。圖4是順逆兩向接收信號強度非對稱性與非均勻性的說明圖。

圖4 信號強度說明圖

直線表示接收信號時間差與流體流速之間的關系,曲線表示接收信號強度與流體流速之間的關系。直線的物理意義是:最左側表明超聲波到達接收面的時間差最小,最右側表明超聲波到達接收面的時間差最大。曲線的物理意義是:最左側表明超聲波接收面接收信號強度最大,最右側表明超聲波接收面接收信號強度最小。

從上述分析可知,產(chǎn)生順逆兩向超聲波到達接收側傳感器時間差的主要因素是因為指向角θ較大。

針對現(xiàn)有技術的不足之處,本文提出的改進方法是:將現(xiàn)有結構的壓電元件分為壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊,壓電元件模塊設置在外環(huán),虛擬壓電元件模塊設置在內環(huán),虛擬壓電元件不具有壓電效應。如圖5所示。

圖5 改進后超聲波傳感器

因為壓電元件模塊的內外徑之差遠遠小于壓電元件外徑,這就將有效接收信號的角度限制在很小的一個范圍內,進而減小了順逆兩向超聲波信號到達接收側的時間差,大大改善了接收信號的非均勻性、非對稱性,提高了信噪比。同時,將外環(huán)作為壓電元件模塊,保證了超聲波信號的接收面積,也就保證了接收信號的強度。

本文以最大值與最小值之差除以流速作為相對偏差量來說明該改進方法的優(yōu)越性。如表1,在全流速段內選擇10個測量點作為對比數(shù)據(jù)。

表1線流速與時間差、信號強度數(shù)據(jù)對比表

為便于對比,本文把流速為零的接收信號時間差與接收信號強度等值依據(jù)表1得對比曲線,如圖6所示。

圖6 改善前后線流速與時間差、信號強度數(shù)據(jù)對比曲線

由表1和圖6可知。

現(xiàn)有技術接收信號時間差的相對偏差量:

(611.76-101.56)/356.66≈143%

改善后接收信號時間差的相對偏差量:

(446.93-266.39)/356.66≈51%

現(xiàn)有技術接收信號強度的相對偏差量:

(1252.55-207.93)/356.66≈293%

改善后接收信號強度的相對偏差量:

(477.52-284.62)/356.66≈54%

可以看出,改善后接收信號時間差的相對偏差量由143%降低到51%,其均方差由161.34ns降到57.08ns,接收信號強度的相對偏差量由293%降低到54%,其均方差由304.96降到60.47。表明,該方法大大改善了接收信號時間差與強度的對稱性和均勻性,流量檢測精確度可得到大幅度的改善。

4 結論

現(xiàn)有的超聲波傳感器測量液體流量時存在接收側超聲波傳感器接收信號強度非均勻、非對稱問題,且影響流量測量精度。本文所提出的改進方法的有益效果是:將現(xiàn)有技術的壓電元件分解為壓電元件模塊和虛擬壓電元件模塊,在不影響有效接收信號強度的前提下,改善了接收信號的均勻性、對稱性,提高了信噪比,對保證超聲波流量計的精確度具有顯著意義。

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Analysis and Countermeasures to the Problem of Ultrasonic Sensor Receives the Ultrasonic Signal Asymmetric*

WANGZhu*,CUIXiaozhi,HOUChunlei

(Harbin Instituteof Technology at Weihai,School of Information and Electrical Engineering,Weihai Shandong 264209,China)

Ultrasonic sensor receives the ultrasonic signal downstream and upstream when measuring the flow rate with the time difference method.However the received signal strength is irregular and asymmetrical.For the problem,a modified method to improve the performance of ultrasonic sensor is presented.According to the beam angle and the spacing of sending-side and receiving-side,the time arriving at the surface of ultrasonic sensor along the center and perimeter is calculated,respectively.Then,there is time difference existing when ultrasonic reaches the surface of the receiving-side sensor along the center and perimeter.To shorten it,this paper proposes a design method of ultrasonic sensor by improving the piezoelectric element structure of ultrasonic sensor.Theoretical analysis shows that the modified method can not only effectively improve the problem of irregularly and asymmetrically received signal strength,but also increase the accuracy of flow measurement.

ultrasonicsensor;beamangle;timedifferencemethod;asymmetrical

王 翥(1963-),男,哈工大(威海)信電學院教授。研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡及網(wǎng)絡化測控技術、傳感器及應用技術,wangzhu@hit.edu.cn;

崔曉志(1990-),哈工大(威海)信電學院碩士研究生。研究方向為超聲波傳感器及在流量檢測中的應用技術。

項目來源:山東省科技發(fā)展計劃項目(2012GGX10110)

2014-09-29 修改日期:2014-11-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.015

TB552

A

1004-1699(2015)01-0081-05