姚　靈， 左富強， 王欣欣

(浙江省水表研究院， 浙江 寧波 315032)

超聲水表換能器綜合性能指標的建立

姚靈， 左富強， 王欣欣

(浙江省水表研究院， 浙江 寧波 315032)

摘要:超聲檢測換能器的各項基礎(chǔ)技術(shù)指標體系已比較完善， 但換能器的基礎(chǔ)技術(shù)指標不能替代產(chǎn)品制造過程中能夠快速識別其性能特性的綜合性能指標. 經(jīng)過大量實驗與研究， 本文提出了用于生產(chǎn)制造過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制的超聲水表換能器綜合靜態(tài)指標和綜合動態(tài)指標兩類技術(shù)指標體系， 使其能基本滿足超聲水表換能器的工序檢測與型式試驗項目的要求， 也為相關(guān)標準的起草制訂做好準備.

關(guān)鍵詞:超聲水表； 超聲換能器； 換能器綜合性能指標； 換能器工序檢測； 換能器型式試驗

0引言

換能器是超聲水表中最為關(guān)鍵的核心部件之一[1]， 但我國至今尚未建立起綜合評價超聲水表換能器使用特性的技術(shù)指標和方法， 對這方面的研究探索也不多， 這對即將批量投放市場的新型電子水表產(chǎn)品而言是存在有一定技術(shù)風險的.

評價超聲水表換能器工作性能的標準制訂工作國家還在審批之中， 如何在標準起草前做好超聲水表換能器綜合性能評價指標和方法的研究與構(gòu)建， 是保證標準適用性的重要前提， 也是超聲水表產(chǎn)品能否長期穩(wěn)定可靠工作的重要保證.

當今， 超聲檢測換能器的各項基礎(chǔ)技術(shù)指標已比較完整且形成體系[2]， 但換能器基礎(chǔ)技術(shù)指標不能替代制造過程中快速識別超聲水表換能器的綜合性能指標， 僅能作為綜合性能指標的技術(shù)依據(jù)和支撐[3].

1換能器的結(jié)構(gòu)與特性

1.1基本結(jié)構(gòu)及原理

超聲水表換能器主要由壓電陶瓷元件、 阻抗匹配層、 吸收(背襯)材料、 金屬外殼及信號引出線等組成， 其結(jié)構(gòu)見圖 1 示意圖. 同一換能器采用發(fā)射和接收交替工作方式[4].

換能器的壓電陶瓷元件通常以薄圓片厚度振動模式工作,其振子的幾何形狀、 極化和激勵方式見圖 2. 當薄圓片厚度遠小于直徑時， 其振動模式的反諧振頻率與厚度成反比[1]， 即

(1)

圖 1　超聲水表換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Ultrasonic water meter transducer structure diagram

圖 2　壓電換能器厚度伸縮振動模式原理圖Fig.2　The principle diagram of the thickness of the piezoelectric transducer stretching vibration mode

超聲波在不同聲阻抗介質(zhì)傳播時會發(fā)生聲反射， 導致超聲波不能正常傳播. 當超聲換能器在水中工作時， 由于壓電陶瓷與水介質(zhì)聲阻抗相差懸殊， 因此需要在壓電陶瓷前設(shè)置阻抗匹配材料， 以保證發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波能順利進入水中， 到達接收換能器. 阻抗匹配材料通常按式(2)選用[1]

(2)

式中：zp為匹配材料的特性阻抗；z0為壓電陶瓷材料的特性阻抗；z1為水介質(zhì)的特性阻抗.

1.2主要技術(shù)指標

超聲檢測換能器的主要基礎(chǔ)技術(shù)指標為[5]：

1) 機電轉(zhuǎn)換系數(shù)n

機電轉(zhuǎn)換系數(shù)是指換能器在機電轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)換后的力學量(或電學量)與轉(zhuǎn)化前的電學量(或力學量)之比.

2) 工作頻率

發(fā)射換能器的工作頻率應(yīng)等于它自身的諧振基頻， 這樣可以獲得最佳工作狀態(tài)、 取得最大的發(fā)射聲功率和接收效率. 主動式超聲換能器處于接收狀態(tài)下的工作頻率是與發(fā)射狀態(tài)下的工作頻率近似相等的.

3) 品質(zhì)因數(shù)Q

品質(zhì)因數(shù)Q通常由電路系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Qe和機械系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Qm來描述. 換能器Q值與其工作頻帶寬度和傳輸能量的效率有密切關(guān)系，Q值大小不僅與換能器的材料、 結(jié)構(gòu)、 機械損耗等有關(guān)， 還與輻射聲阻抗有關(guān). 同一換能器處于不同介質(zhì)中其Q值是不同的.

4) 阻抗特性

壓電換能器作為一機電4端網(wǎng)絡(luò)， 具有一定的特性阻抗和傳輸常數(shù). 如等效電阻抗、 等效機械阻抗、 靜態(tài)和動態(tài)阻抗、 輻射阻抗等.

5) 發(fā)射聲功率

發(fā)射聲功率是描述一個發(fā)射換能器在單位時間里向介質(zhì)聲場輻射聲能多少的物理量， 換能器的發(fā)射聲功率一般是隨工作頻率變化的， 在與其機械諧振頻率相同時可以獲得最大的發(fā)射聲功率.

6) 接收靈敏度

接收換能器的靈敏度分為自由場電壓靈敏度和電流靈敏度兩種. 自由場電壓(電流)靈敏度Mu(ω)[Mi(ω)]是指接收換能器的輸出電壓(電流)與在聲場中引入換能器之前該點的自由聲場聲壓的比值.

7) 頻率特性

頻率特性是換能器的一些重要參數(shù)隨工作頻率變化的特性. 如發(fā)射換能器的發(fā)射功率和效率隨工作頻率變化、 接收換能器的接收靈敏度隨工作頻率變化的特性.

8) 等效噪聲電壓

接收換能器內(nèi)的壓電陶瓷在一定溫度下由內(nèi)部分子熱運動而產(chǎn)生的噪聲電壓.

上述這些指標的檢測大多比較復雜， 檢測成本也高， 不適合在制造過程中作為性能控制指標使用， 因此需要尋找能綜合反映換能器性能的綜合技術(shù)指標進行研究和構(gòu)建.

2換能器綜合性能指標構(gòu)建

超聲水表換能器綜合性能指標的建立需要從水表整體技術(shù)性能要求出發(fā)， 以能滿足超聲水表長期正常工作、 且達到一定測量準確度要求為前提. 根據(jù)超聲水表工作原理分析可知， 換能器應(yīng)該符合發(fā)射中心頻率和發(fā)射聲功率穩(wěn)定、 接收輸出電壓幅值滿足整機信號處理要求、 輸出電壓幅值長期工作應(yīng)穩(wěn)定可靠等指標. 經(jīng)大量使用實踐證明， 超聲水表換能器建立本文所述技術(shù)指標可以保證超聲水表長期穩(wěn)定工作， 并使測量過程不復雜、 測量成本較低廉.

綜合性能指標的檢測需要用到所謂的“標準”超聲水表換能器. 這些標準換能器可以不要求技術(shù)指標達到某一具體準確值， 但要求指標值恒定且在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi).

將超聲水表綜合性能分為靜態(tài)和動態(tài)指標兩部分， 這樣可以分別識別換能器在靜止狀態(tài)和工作狀態(tài)時的綜合性能.

2.1換能器老化試驗

為使超聲水表換能器長期穩(wěn)定工作， 需要對換能器進行老化試驗和篩選. 老化的目的是使換能器壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)等參數(shù)經(jīng)過高、 低溫和電功率老化試驗后處于基本恒定的狀態(tài)， 同時消除因裝配過程造成的內(nèi)部應(yīng)力集中， 使壓電陶瓷材料粘接劑、 阻抗匹配與吸收等材料的性能穩(wěn)定下來， 保證換能器長期穩(wěn)定可靠工作. 老化試驗會使超聲水表換能器的發(fā)射聲功率、 接收靈敏度等指標略有下降， 但換來的卻是換能器的性能穩(wěn)定與可靠. 老化試驗與篩選對所有待檢測和待裝配的換能器而言是必不可少的.

通常， 采用高溫、 低溫與交變濕熱等方法進行換能器氣候環(huán)境老化[6]. 高溫老化溫度不宜超過壓電材料居里溫度的2/5， 持續(xù)時間在 1 h左右； 高、 低溫試驗時間不能太長， 次數(shù)不能太多.

電功率老化可以采用連續(xù)脈沖波或正弦波對換能器進行過載激勵， 過載激勵值應(yīng)超過額定值， 但在極限值范圍內(nèi)， 電功率老化時間一般為數(shù)小時.

2.2標準換能器篩選

由于超聲水表采用收、 發(fā)共用換能器工作模式， 因此在激勵電功率、 工作頻率基本恒定和換能器結(jié)構(gòu)確定(即固有頻率和指向性確定)等條件下， 通過任選一個工作正常的換能器作為發(fā)射換能器去檢測成批接收換能器， 然后從成批接收換能器中挑出性能最為穩(wěn)定、 數(shù)值較為適中的某幾個換能器用作標準發(fā)射換能器使用. 換能器的發(fā)射特性可以通過檢測其接收特性而間接獲得. 在一定條件下標準發(fā)射換能器也可作為標準接收換能器使用， 對實際使用而言， 其差異不會很大[7].

標準換能器的篩選， 通常是在正常生產(chǎn)過程中對老化處理后的成批換能器產(chǎn)品采用“多次篩選優(yōu)化法”來實施的.

2.3換能器綜合靜態(tài)特性

綜合靜態(tài)特性可以分為換能器的靜態(tài)電容和絕緣電阻等兩項技術(shù)指標.

1) 靜態(tài)電容

超聲換能器在未激勵振動條件下， 它的等效電路是純電容C0和損耗電阻Rn的并聯(lián)； 當換能器受激聲輻射或接收聲能量時， 還存在著動態(tài)阻抗， 動態(tài)阻抗可以用電阻、 電感和電容來表示， 見圖 3. 圖中R1，C1，L1分別為動態(tài)阻抗中的電阻、 電容和電感.

圖 3　壓電換能器在諧振頻率附近工作時等效電路Fig.3　Piezoelectric transducer working near the resonant frequency equivalent circuit

靜態(tài)電容C0反映了換能器中壓電陶瓷在未受超聲輻射和脈沖激勵時兩電極間的電容量， 其值大小與壓電陶瓷的直徑、 厚度、 以及介電常數(shù)等有關(guān)； 損耗電阻Rn是由壓電陶瓷介質(zhì)損耗引起的. 根據(jù)換能器壓電陶瓷規(guī)格不同， 超聲水表換能器的靜態(tài)電容量一般在數(shù)百皮法至數(shù)千皮法之間， 可用普通準確度的電容表測量其數(shù)值. 一批換能器的靜態(tài)電容值應(yīng)在設(shè)計規(guī)定的公差范圍內(nèi).

2) 絕緣電阻

換能器靜態(tài)時相當于一個電容器， 電容器的絕緣電阻主要是由介質(zhì)漏電、 周圍環(huán)境濕度和雜質(zhì)等因素構(gòu)成. 換能器是高阻器件， 輸出的是電荷量， 因此環(huán)境濕度、 自身絕緣狀況、 壓電陶瓷材料性能等對其正常工作影響極大， 為此要求換能器靜態(tài)時兩導線間的絕緣電阻值應(yīng)趨于無窮大. 通常， 可以用測量上限大于1×109Ω的高阻歐姆表進行測量.

2.4換能器綜合動態(tài)特性

綜合動態(tài)特性可以分為換能器的工作頻率、 接收換能器輸出電壓、 接收換能器輸出電壓重復性、 接收換能器輸出電壓穩(wěn)定性和壽命試驗等5項技術(shù)指標.

1) 工作頻率

從發(fā)射效率考慮， 同時兼顧接收特性， 超聲水表換能器通常應(yīng)工作在串聯(lián)諧振狀態(tài). 因此可以將串聯(lián)諧振頻率fs作為其工作頻率f0使用， 見式(3).

(3)

式中：C1，L2為換能器動態(tài)電容和電感.

工作頻率應(yīng)該長期處在穩(wěn)定狀態(tài)， 它隨時間和溫度的變化量應(yīng)控制在較小范圍內(nèi)， 否則將會影響換能器的發(fā)射效率和接收靈敏度. 工作頻率可以用專用阻抗測量儀測量， 也可用圖 4 方法進行測量.

2) 接收換能器輸出電壓幅值

在超聲波作用下， 接收換能器輸出電壓幅值大小對超聲水表能否正常工作關(guān)系密切. 換能器的輸出幅值會隨測量管的公稱通徑增加(即測量距離增加)而減少， 因此換能器輸出電壓幅值應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)， 不能太低， 需要通過篩選進行配對工作.

圖 4　壓電換能器工作頻率測量原理圖Fig.4　Piezoelectric transducer working frequency measuring principle diagram

圖 5　超聲水表接收換能器輸出電壓波形示意圖Fig.5　Ultrasonic water meter receiving transducer output voltage waveform diagram

接收換能器輸出電壓幅值越高， 超聲水表工作時的信噪比就越高， 噪聲干擾影響程度就越低， 信號處理就越可靠， 見圖 5. 通常， 測量閾值電平既要大于噪聲電平， 又要兼顧輸出信號電壓受溫度、 時間等因素下降所導致的測量閾值電平相交于下一波峰， 造成Stop點后移， 使超聲波測量時間發(fā)生很大波動的風險.

接收換能器輸出電壓可以在專用裝置上進行測量， 在標準發(fā)射換能器和標準發(fā)射脈沖電路配合下， 采用高靈敏度數(shù)字示波器進行觀測和測量.

3) 接收換能器輸出電壓幅值重復性

在標準換能器和標準信號發(fā)生器配合下， 對換能器的輸出電壓進行短時間多次重復測量(一般為5～10次)， 其輸出電壓的重復性應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi). 重復性計算可以采用實驗標準差法， 見下式和下表.

實驗標準差法計算公式如式(4)

(4)

4) 接收換能器輸出電壓幅值穩(wěn)定性(型式試驗項目)

接收換能器輸出電壓值不僅要適中， 而且應(yīng)長期穩(wěn)定， 這是對超聲水表換能器的基本要求. 輸出電壓穩(wěn)定性主要是指溫度改變與時間進程導致?lián)Q能器輸出電壓發(fā)生變化的程度. 實驗證明， 由PZT類壓電陶瓷材料構(gòu)成的超聲換能器， 其輸出電壓幅值隨溫度影響的變化在0～50 ℃范圍內(nèi)的變化量約為10%左右， 而且變化規(guī)律強， 容易補償. 而輸出電壓隨時間進程的影響則會因壓電陶瓷材料及粘結(jié)、 阻抗、 吸收等材料中某些參數(shù)改變而逐步發(fā)生衰減， 每個換能器的衰減速率都會不一樣， 個別換能器甚至會在使用生命期內(nèi)出現(xiàn)失效， 對于這種時間進程引起的穩(wěn)定性是需要高度重視的.

輸出電壓值的較大變化或衰減， 均會導致超聲水表內(nèi)精密計時單元計時結(jié)束時間點(Stop點)發(fā)生一定量的偏移， 造成時間測量誤差增加.

輸出電壓穩(wěn)定性指標是在針對某種結(jié)構(gòu)換能器的大量可靠性和壽命試驗基礎(chǔ)上， 同時根據(jù)超聲水表信號處理部分對換能器的匹配需要提出的. 實踐證明， 經(jīng)過老化試驗后的一批換能器， 經(jīng)過2至3次的分時測量， 可以基本確定換能器是否符合穩(wěn)定性指標的要求. 兩次測量間隔時間通常為24 h以上， 以1～2月試驗時間為界； 試驗過程中， 換能器輸出幅值隨時間進程的衰減量應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi).

穩(wěn)定性試驗采用幾個測量時段的輸出幅值均值的相對變動性來評價.

5) 壽命試驗(型式試驗項目)

該項目主要是驗證超聲水表換能器的有效使用壽命. 采用電功率老化相似的方法對換能器進行壽命試驗， 在激勵信號極限值附近對換能器進行連續(xù)的脈沖波或正弦波激勵， 連續(xù)工作時間為1～2月， 實驗結(jié)束后換能器應(yīng)正常工作， 其輸出幅值不應(yīng)超出規(guī)定的范圍.

3試驗方法與試驗結(jié)果

1) 綜合指標的試驗方法與裝置

除了綜合靜態(tài)特性指標可以在空氣中進行測量外， 超聲水表換能器綜合動態(tài)特性指標的檢測與試驗需要在水的負載中進行[8]， 測量裝置見圖 6. 換能器工作頻率、 接收換能器輸出電壓幅值和輸出電壓幅值重復性指標是工序檢測項目， 接收換能器輸出電壓穩(wěn)定性和壽命試驗指標為型式試驗項目， 上述所有檢測和試驗項目均可在圖6試驗裝置上進行.

圖 6　超聲水表換能器檢測及試驗裝置示意圖Fig.6　Ultrasonic water meter transducer testing and test equipment

2) 測量結(jié)果與整機性能的關(guān)聯(lián)性

接收換能器輸出幅值大小與超聲水表能否正常工作密切相關(guān)[9]. 不同輸出幅值的換能器， 需要通過篩選、 分檔后進行配對工作. 表 1 是相同規(guī)格、 相同測量距離條件下， 超聲換能器的分檔與配對舉例. 要求編號為A，B，C的換能器分別與相同編號的換能器配對使用(如Ai與Ai，Bi與Bi，Ci與Ci配對，i=1，2，…，n； 配對時， 每一對換能器的輸出幅值應(yīng)盡量接近).

表 1　超聲換能器分檔與配對舉例性能

接收換能器輸出幅值重復性指標與超聲水表短期工作穩(wěn)定性與可靠性密切相關(guān). 輸出幅值重復性不好的換能器是導致超聲水表整機示值誤差和測量重復性指標超差的主要原因之一[10]. 表 2 是超聲水表換能器輸出幅值重復性指標的測量結(jié)果. 通常情況下， 當輸出幅值重復性指標相對值小于5%以內(nèi)時， 對整機示值誤差和測量重復性的影響可忽略不計.

接收換能器輸出幅值穩(wěn)定性指標與超聲水表長期工作穩(wěn)定性與可靠性密切相關(guān). 輸出幅值穩(wěn)定性不好的換能器是導致超聲水表整機示值誤差和測量再現(xiàn)性指標超差的主要原因之一[10]. 表 3 是超聲水表換能器輸出幅值穩(wěn)定性指標的測量結(jié)果. 通常情況下， 當輸出幅值穩(wěn)定性指標變化小于5%以內(nèi)時， 對整機示值誤差和測量再現(xiàn)性的影響可忽略不計.

表 2　 超聲水表換能器輸出幅值重復性指標測量結(jié)果

表 3　超聲水表換能器輸出幅值穩(wěn)定性指標測量結(jié)果

4結(jié)語

超聲水表換能器綜合性能指標的檢測與試驗是智能水表生產(chǎn)制造過程中的重要環(huán)節(jié)， 如果不能事前控制好換能器質(zhì)量， 就無法保證超聲水表產(chǎn)品的整機質(zhì)量.

換能器長期工作穩(wěn)定性與可靠性指標的建立， 需要大量的實驗、 分析與論證， 需要有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作支撐. 然而， 這方面工作我國尚處在起步階段， 積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗還遠遠不夠， 需要有關(guān)各相關(guān)方的不斷努力和探索.

上述超聲水表換能器的靜態(tài)綜合指標和動態(tài)綜合指標的建立與實施， 已為數(shù)千臺超聲水表的產(chǎn)品質(zhì)量提供了有效的保障， 也為制訂我國機械行業(yè)標準《超聲水表換能器》做好了前期的準備.

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YaoLing.Analysisandprocessingonmeasurementerrorsoftheultrasonicwatermeter[J].InstrumentationTachnology, 2015(5): 1-4. (inChinese)

The Exploration of Establishment Ultrasonic Water Meter Transducer Integrated Performance Index

YAO Ling, ZUO Fuqiang, WANG Xinxin

(Zhejiang Province Water meter Research Institute, Ningbo 315032, China)

Abstract:The basic technical indicators of ultrasonic transducer system have comparatively perfected, but the basic technical indicators of ultrasonic transducer cannot substitute The integrated performance indicator which can identify the performance characteristics in product manufacturing process .After a large number of experiments and research, Both the comprehensive static and dynamic index of the ultrasonic water transducer were put forward ,which can be used in the manufacturing process and quality control, and can basically meet the process of ultrasonic water meter transducer to detect and type testing requirements, also do prepare for drafting of the standards.

Key words:ultrasonic water meter； ultrasonic transducer； transducer integrated performance index; transducer procedure testing; transducer type test

文章編號:1671-7449(2016)03-0260-07

收稿日期:2015-11-28

基金項目：浙江省優(yōu)先主題重點工業(yè)資助項目(2010C11025)； 寧波市重大科研攻關(guān)資助項目(2009B10003)

作者簡介：姚靈(1953-)， 男， 教授級高級工程師， 主要從事幾何量精密儀器和水流量測量儀表的研究與開發(fā).

中圖分類號:TB937

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.014