王 翥, 劉春龍, 羅清華
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 威海 264209)
超聲波流量計(jì)具有始動(dòng)流量小、量程比大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于流量計(jì)量。超聲波傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)是超聲波流量計(jì)的核心部件之一[1]。流量計(jì)量時(shí),一只超聲波流量計(jì)需要使用一對(duì)傳感器,并共同使用一套信號(hào)收發(fā)電路。為保證獲取的時(shí)間差準(zhǔn)確,要求一對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換效率及特性盡可能一致,而只有保證了諧振頻率與反諧振頻率、諧振阻抗與反諧振阻抗等參數(shù)的一致性,才有可能使得一對(duì)傳感器的轉(zhuǎn)換效率相互接近[2]。
如上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲波傳感器的研究更多的是偏向于對(duì)傳感器單一參數(shù)測(cè)試方法,而對(duì)于流量計(jì)量而言,還需要有一種測(cè)試裝置來(lái)在線評(píng)價(jià)一對(duì)傳感器主要參數(shù)的一致性,作為其是否適用于一只流量計(jì)的判斷依據(jù)[6]。
將超聲波傳感器串接到一個(gè)由激勵(lì)信號(hào)源、采樣電阻組成的測(cè)試回路中,當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率變化時(shí),采樣電阻兩端電壓如圖1所示。從圖1的曲線可以看出,在頻率變化范圍內(nèi)存在兩個(gè)頻率點(diǎn)fm、fn,且fm 圖1 電流隨頻率變化曲線示意圖Figure 1 The curve diagram of current varing with frequency 圖2為等效阻抗隨激勵(lì)信號(hào)頻率變化的曲線圖。其中,fm稱為最小阻抗頻率,其附近會(huì)有超聲波傳感器的諧振頻率fr;fn稱為最大阻抗頻率,其附近會(huì)有反諧振頻率fa[7]。 圖2 阻抗隨頻率變化曲線示意圖Figure 2 The curve diagram of impedance varing with frequency 超聲波傳感器的機(jī)電等效電路如圖3所示。其中,C0為傳感器的靜態(tài)電容;L1為傳感器的等效電感;C1為傳感器的等效電容;R1為傳感器的等效電阻。由文獻(xiàn)[8]可知,傳感器的最小阻抗頻率fm和最大阻抗頻率fn分別為式(1)、(2)。 (1) (2) 圖3 超聲波傳感器的機(jī)電等效電路圖Figure 3 Electromechanical equivalent circuit of ultrasonic sensor 電路串聯(lián)諧振現(xiàn)象產(chǎn)生于信號(hào)頻率fs等于fm時(shí),fs為串聯(lián)諧振頻率;電路并聯(lián)諧振現(xiàn)象產(chǎn)生于信號(hào)頻率fp等于fn時(shí),fp為并聯(lián)諧振頻率。 當(dāng)無(wú)機(jī)械損耗時(shí): fm=fs=fr;fa=fp=fn。 (3) 當(dāng)有機(jī)械損耗時(shí): fm (4) 壓電式超聲波傳感器具有正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng),無(wú)論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng),其轉(zhuǎn)換效率高則說(shuō)明轉(zhuǎn)換過程中能量損耗小。流量計(jì)量過程中都期望正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換效率盡可能高一些,即轉(zhuǎn)換后信號(hào)幅值與轉(zhuǎn)換前的信號(hào)幅值之比大,這樣會(huì)更便于轉(zhuǎn)換后小信號(hào)的識(shí)別,更能保證時(shí)間差的計(jì)算精確度。 (1)諧振頻率對(duì)壓電效應(yīng)影響的分析。如圖3所示,在諧振頻率點(diǎn),傳感器等效電路右側(cè)分支電路L1、C1、R1等效于一只純電阻,則傳感器等效為R1和C0的并聯(lián),傳感器轉(zhuǎn)換效率最高;偏離諧振頻率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),右側(cè)分支電路L1、C1、R1中就會(huì)存在L1與C1,就會(huì)因?yàn)長(zhǎng)1與C1的存在而產(chǎn)生無(wú)功功率、減少有功功率。P=U2/R可知,若阻值不變,功率減少,則R1壓降就會(huì)減少,進(jìn)而使傳感器轉(zhuǎn)換效率下降。 (2)靜態(tài)電容對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響。根據(jù)電路理論可知,隨著傳感器的靜態(tài)電容的增加,無(wú)功功率也將隨之而增加,而激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的總功率P=P有+P無(wú)是不變的,有功功率與無(wú)功功率是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。由P=U2/R可知,傳感器阻抗保持穩(wěn)定時(shí),有功功率的減少會(huì)導(dǎo)致輸出電壓降低,進(jìn)而降低了傳感器的轉(zhuǎn)換效率。 超聲波傳感器聲波收發(fā)狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的,振動(dòng)特性和電信號(hào)的響應(yīng)都是時(shí)間的函數(shù),傳感器的動(dòng)態(tài)特性決定著傳感器的轉(zhuǎn)換效率。流量計(jì)量時(shí),傳感器是成對(duì)工作的,互為發(fā)送/接收信號(hào),同時(shí)信號(hào)處理電路也對(duì)稱使用,要求傳感器的特性具有一致性,接收與發(fā)送信號(hào)互為交換后,呈現(xiàn)的特性具有較高的相似性,否則將會(huì)出現(xiàn)閾值偏差、相位偏差等現(xiàn)象,進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差。 為保證傳感器的一致性,要針對(duì)諧振頻率與反諧振頻率、諧振阻抗與反諧振阻抗、輸出幅值、靜態(tài)電容、轉(zhuǎn)換效率等進(jìn)行測(cè)試,保證用于同一流量計(jì)的一對(duì)傳感器主要特性的一致性。圖4為設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)框圖。 圖4 參數(shù)測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)框圖Figure 4 The overall structure diagram of parameter test device 針對(duì)諧振頻率與反諧振頻率的測(cè)試采用傳輸線路法,針對(duì)諧振阻抗與反諧振阻抗的測(cè)試采用替代法,針對(duì)傳感器輸出幅值的測(cè)試采用脈沖激勵(lì)信號(hào)法,針對(duì)靜態(tài)電容的測(cè)試采用交流容抗法。 圖5是傳感器測(cè)試裝置硬件總體框圖。 圖5 測(cè)試裝置硬件總體框圖Figure 5 Electromechanical equivalent circuit of ultrasonic sensor 2.2.1 檢波電路 因?yàn)閭鞲衅餍盘?hào)衰減很大且很微弱,同時(shí),接收到的電信號(hào)是含有被測(cè)量信息的調(diào)制信號(hào),所以需要對(duì)再次接收到的電信號(hào)進(jìn)行檢波、濾波、放大等信號(hào)調(diào)理。頻率、阻抗和幅值測(cè)試選用圖6所示的全波檢波電路1,靜態(tài)電容測(cè)試選用圖7所示的全波檢波電路2。 圖7 全波檢波電路2Figure 7 Full wave detection circuit 2 要求裝置產(chǎn)生頻率在100 kHz~4.5 MHz,圖6的運(yùn)算放大器AD8063和二極管1N4148均為高速型。 圖7中,運(yùn)放A與二極管D5、D6以及電阻R55和R56構(gòu)成半波整流部分,運(yùn)放B與電阻R57、R58、R59共同組成一個(gè)信號(hào)加法器的結(jié)構(gòu)。 2.2.2 濾波電路 濾波的目的是濾出檢波后信號(hào)存在的高頻干擾,提取待測(cè)傳感器輸出信號(hào)的低頻部分。圖8為二階壓控電壓源型低通濾波器。 圖8 二階壓控電壓源型低通濾波器Figure 8 Second order VCVS type low pass filter 根據(jù)基爾霍夫電流定律可知,M點(diǎn)的電流方程為式(5): (5) P點(diǎn)的電流方程為式(6): (6) 聯(lián)立公式(5)和(6),可求得R27和R26: (7) (8) 電路中相關(guān)參數(shù)計(jì)算與選擇結(jié)果如下:C37=1pF、C38=1nF、R26=R27=1.2 kΩ、R28=4.7 kΩ、R45=16.3 kΩ。 2.3.1 頻率測(cè)試模塊 如圖9所示,信號(hào)發(fā)生器給傳感器輸入幅值固定、頻率可變的激勵(lì)信號(hào)Ui,采樣電阻R2將傳感器工作電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),諧振頻率點(diǎn)的傳感器工作電流最大、等效阻抗最小,反諧振頻率點(diǎn)的傳感器工作電流最小、等效阻抗最大。所以,通過測(cè)試圖9輸出電壓值U0,就可以求得傳感器的諧振頻率與反諧振頻率。 圖9 傳感器頻率測(cè)試原理Figure 9 The frequency testing principle of sensor 2.3.2 阻抗測(cè)試模塊 如圖10所示,采用替代法,首先讓傳感器與電阻R串聯(lián),利用固定幅值、固定頻率的激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)傳感器并測(cè)試電阻R兩端電壓U,再讓可調(diào)電阻Rx與電阻R串聯(lián),調(diào)整可調(diào)電阻Rx阻值使電阻R上的電壓等于U,此時(shí)可調(diào)電阻的阻值即為傳感器的阻值。 圖10 傳感器阻抗測(cè)試原理Figure 10 The impedance testing principle of sensor 2.3.3 輸出幅值測(cè)試 圖11是一個(gè)模擬工況環(huán)境設(shè)計(jì)的測(cè)試單個(gè)傳感器示意圖,由具有一定光潔度的反射底板、能夠固定安裝傳感器的頂板組成。測(cè)試時(shí),把傳感器面朝下放置在位于頂板的圓孔上,傳感器經(jīng)過逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)的兩次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)(傳感器發(fā)出)—機(jī)械波(介質(zhì)中傳輸、底板發(fā)射)—電信號(hào)(傳感器接收)的兩次轉(zhuǎn)換。 圖11 傳感器幅值測(cè)試示意圖Figure 11 The amplitude testing schematic of sensor 2.3.4 靜態(tài)電容測(cè)試 壓電式超聲波傳感器不加激勵(lì)信號(hào)時(shí)等效為電容,在此條件下測(cè)試得到的電容值即為傳感器的靜態(tài)電容C0。給傳感器加載低頻激勵(lì)信號(hào),通過C/U轉(zhuǎn)換電路把傳感器靜態(tài)電容值轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓值。 采用標(biāo)準(zhǔn)儀器與本設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置分別對(duì)傳感器樣品進(jìn)行測(cè)試并比對(duì)分析。 (1)諧振頻率與反諧振頻率:采用頻率特性測(cè)試儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器,型號(hào)為SA1005D; (2)諧振阻抗與反諧振阻抗:采用電阻箱、示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為標(biāo)準(zhǔn)儀器,型號(hào)分別為ZX32D、TDS2012C、DG1022U; (3)幅值測(cè)試:采用示波器、水浴鍋等作為標(biāo)準(zhǔn)儀器,示波器型號(hào)為TDS2012C; (4)靜態(tài)電容:采用LCR測(cè)試儀、標(biāo)準(zhǔn)電容盒作為標(biāo)準(zhǔn)儀器,型號(hào)分別為TH2811C、ATCDB12。 連續(xù)進(jìn)行了5次測(cè)試實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)如表1所示。表中標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試數(shù)據(jù)記為I,設(shè)計(jì)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)記為Ⅱ。由表1可知,設(shè)計(jì)裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試結(jié)果中,諧振頻率的最大偏差值是3 kHz,出現(xiàn)在第1、3、4行數(shù)據(jù)中,最大相對(duì)誤差為0.3%;反諧振頻率的最大偏差值也是3 kHz,出現(xiàn)在第5行數(shù)據(jù)中,最大相對(duì)誤差為0.29%。對(duì)比可知,設(shè)計(jì)裝置讀數(shù)穩(wěn)定,測(cè)試結(jié)果一致性好,滿足設(shè)計(jì)要求。 表1 諧振頻率(阻抗)與反諧振頻率(阻抗)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 The experimental data of resonant frequency (impedance) and anti-resonance frequency (impedance) 由表1可知,設(shè)計(jì)裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試結(jié)果中,諧振阻抗的最大偏差值是3 Ω,出現(xiàn)在第5行數(shù)據(jù)中,最大相對(duì)誤差為7.3%;反諧振阻抗的最大偏差值也是3 kHz,出現(xiàn)在第3行數(shù)據(jù)中,最大相對(duì)誤差為0.34%。對(duì)比可知,設(shè)計(jì)裝置輸出值穩(wěn)定,測(cè)試結(jié)果一致性好,滿足設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)裝置靜態(tài)電容測(cè)試范圍為100~2 400 pF,用標(biāo)準(zhǔn)電容盒作為標(biāo)定設(shè)備,每隔100 pF測(cè)試一次結(jié)果、重復(fù)測(cè)試5次,測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,為簡(jiǎn)化表格,選取100、500、1 500、2 000、2 400 pF 5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由表2可知,設(shè)計(jì)裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試結(jié)果中,針對(duì)電容盒的5個(gè)電容值(100、500、1 000、1 500、2 400 pF),標(biāo)準(zhǔn)儀器實(shí)測(cè)電容的最大偏差值分別為9、8、18、8、68 pF,最大相對(duì)誤差為9%,出現(xiàn)在第1列數(shù)據(jù)中;設(shè)計(jì)裝置實(shí)測(cè)電容的最大偏差值分別為5、5、10、0、0 pF,最大相對(duì)誤差為5%,也出現(xiàn)在第1列數(shù)據(jù)中。對(duì)比可知,設(shè)計(jì)裝置輸出值穩(wěn)定,測(cè)試結(jié)果一致性好,滿足設(shè)計(jì)要求。 表2 靜態(tài)電容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of static capacitance pF 表3為發(fā)射與接收幅值的5次測(cè)試數(shù)據(jù)。從表3可以看出,因?yàn)閷?duì)輸出信號(hào)做了必要的調(diào)整,所以無(wú)論是輸出信號(hào)的幅值還是信號(hào)的一致性,設(shè)計(jì)裝置都有了很大的改善。設(shè)計(jì)裝置對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行整流濾波放大之后進(jìn)行讀數(shù),因此測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)較大。 表3 發(fā)射幅值與回波幅值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The experimental data of the sending wave amplitude and the returned wave amplitude V 實(shí)驗(yàn)方案如圖11所示,以5只傳感器為例,測(cè)試條件:1)將樣品放置在設(shè)定溫度的水浴鍋中加熱10 min,使兩者溫度達(dá)到一致;2)設(shè)定水浴鍋在30 ℃~90 ℃溫度范圍內(nèi)可調(diào),測(cè)試數(shù)據(jù)取樣間隔溫度為10 ℃;3)測(cè)試對(duì)應(yīng)溫度的傳感器輸出幅值。 自收自發(fā)條件下傳感器輸出幅值的測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示,圖12為自收自發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖。 由表4與圖12可知,1號(hào)、2號(hào)傳感器特性接近,3號(hào)、4號(hào)傳感器特性接近。根據(jù)一收一發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)選擇傳感器配對(duì)的有效性,將1號(hào)與2號(hào)、3號(hào)與4號(hào)分別在工況條件下進(jìn)行互為收發(fā)的配對(duì)實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如表5所示。表中“1→2”表示1號(hào)傳感器發(fā)送信號(hào),2號(hào)傳感器接收信號(hào),圖13為一收一發(fā)配對(duì)數(shù)據(jù)曲線圖。 表4 自收自發(fā)傳感器輸出幅值測(cè)試結(jié)果Table 4 The output amplitude test results of self-sending and self-receiving sensor V 編號(hào)30 ℃40 ℃50 ℃60 ℃70 ℃80 ℃90 ℃1→21.561.561.541.511.491.441.332→11.571.561.541.521.501.461.343→41.541.531.521.501.461.411.324→31.531.531.511.491.471.401.30 圖13 一收一發(fā)數(shù)據(jù)曲線圖Figure 13 The data gragh of one sending and one receiving 由表5與圖13數(shù)據(jù)分析可知,1號(hào)、2號(hào)傳感器配對(duì)后收發(fā)特性接近,3號(hào)、4號(hào)傳感器配對(duì)后收發(fā)特性接近,而特性接近的傳感器轉(zhuǎn)換效率也接近,信號(hào)傳輸過程中衰減也接近,信號(hào)處理電路中信號(hào)的上升率與相位移也接近,這樣就可以更好地保證流量計(jì)量精確度。 需要說(shuō)明的是,流量計(jì)量的精確度主要取決于傳感器,但是與基表管段以及其他工藝條件也有很大關(guān)系。所以,兩只配對(duì)傳感器特性相似度的量化值,需要在確定的生產(chǎn)工藝、參數(shù)比較穩(wěn)定的環(huán)境下做標(biāo)定,將標(biāo)定值作為檢測(cè)參數(shù)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。 針對(duì)目前超聲波流量計(jì)生產(chǎn)過程中存在的因傳感器性能一致性差而帶來(lái)的超聲波流量計(jì)精確度不高、產(chǎn)品合格率低等問題,通過理論分析及大量實(shí)驗(yàn),提出了一種可以用于同一支超聲波流量計(jì)上的一對(duì)超聲波傳感器的測(cè)試方法,并給出傳感器配對(duì)選擇的依據(jù),以及給出具體測(cè)試的關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析證明了理論分析與具體設(shè)計(jì)的有效性,該裝置已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,生產(chǎn)效率與成品率都有很大提高。1.2 主要參數(shù)對(duì)傳感器壓電效應(yīng)的影響
1.3 聲波收發(fā)特性分析
2 傳感器的測(cè)試方法及設(shè)計(jì)
2.1 測(cè)試項(xiàng)目及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
2.3 測(cè)試模塊設(shè)計(jì)
3 測(cè)試結(jié)果及分析
3.1 諧振頻率(阻抗)與反諧振頻率(阻抗)
3.2 靜態(tài)電容
3.3 發(fā)射幅值與回波幅值
3.4 配對(duì)實(shí)驗(yàn)
4 結(jié)束語(yǔ)