超聲波傳感器特性分析與測試方法的研究

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)

0 引言

超聲波流量計具有始動流量小、量程比大、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于流量計量。超聲波傳感器(以下簡稱傳感器)是超聲波流量計的核心部件之一[1]。流量計量時，一只超聲波流量計需要使用一對傳感器，并共同使用一套信號收發(fā)電路。為保證獲取的時間差準(zhǔn)確，要求一對傳感器轉(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，才有可能使得一對傳感器的轉(zhuǎn)換效率相互接近[2]。

如上所述，國內(nèi)外學(xué)者對超聲波傳感器的研究更多的是偏向于對傳感器單一參數(shù)測試方法，而對于流量計量而言，還需要有一種測試裝置來在線評價一對傳感器主要參數(shù)的一致性，作為其是否適用于一只流量計的判斷依據(jù)[6]。

1 傳感器特性與分析

1.1 諧振與反諧振特性分析

將超聲波傳感器串接到一個由激勵信號源、采樣電阻組成的測試回路中，當(dāng)激勵信號的頻率變化時，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為等效阻抗隨激勵信號頻率變化的曲線圖。其中，fm稱為最小阻抗頻率，其附近會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)生于信號頻率fs等于fm時，fs為串聯(lián)諧振頻率；電路并聯(lián)諧振現(xiàn)象產(chǎn)生于信號頻率fp等于fn時，fp為并聯(lián)諧振頻率。

當(dāng)無機(jī)械損耗時：

fm=fs=fr；fa=fp=fn。

(3)

當(dāng)有機(jī)械損耗時：

fm

(4)

1.2 主要參數(shù)對傳感器壓電效應(yīng)的影響

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)換效率高則說明轉(zhuǎn)換過程中能量損耗小。流量計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)換后信號幅值與轉(zhuǎn)換前的信號幅值之比大，這樣會更便于轉(zhuǎn)換后小信號的識別，更能保證時間差的計算精確度。

(1)諧振頻率對壓電效應(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，右側(cè)分支電路L1、C1、R1中就會存在L1與C1，就會因為L1與C1的存在而產(chǎn)生無功功率、減少有功功率。P=U2/R可知，若阻值不變，功率減少，則R1壓降就會減少，進(jìn)而使傳感器轉(zhuǎn)換效率下降。

(2)靜態(tài)電容對轉(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，無功功率也將隨之而增加，而激勵信號產(chǎn)生的總功率P=P有+P無是不變的，有功功率與無功功率是此消彼長的關(guān)系。由P=U2/R可知，傳感器阻抗保持穩(wěn)定時，有功功率的減少會導(dǎo)致輸出電壓降低，進(jìn)而降低了傳感器的轉(zhuǎn)換效率。

1.3 聲波收發(fā)特性分析

超聲波傳感器聲波收發(fā)狀態(tài)是動態(tài)的，振動特性和電信號的響應(yīng)都是時間的函數(shù)，傳感器的動態(tài)特性決定著傳感器的轉(zhuǎn)換效率。流量計量時，傳感器是成對工作的，互為發(fā)送/接收信號，同時信號處理電路也對稱使用，要求傳感器的特性具有一致性，接收與發(fā)送信號互為交換后，呈現(xiàn)的特性具有較高的相似性，否則將會出現(xiàn)閾值偏差、相位偏差等現(xiàn)象，進(jìn)而會產(chǎn)生較大的計量誤差。

2 傳感器的測試方法及設(shè)計

2.1 測試項目及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證傳感器的一致性，要針對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)行測試，保證用于同一流量計的一對傳感器主要特性的一致性。圖4為設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 參數(shù)測試裝置整體結(jié)構(gòu)框圖Figure 4 The overall structure diagram of parameter test device

針對諧振頻率與反諧振頻率的測試采用傳輸線路法，針對諧振阻抗與反諧振阻抗的測試采用替代法，針對傳感器輸出幅值的測試采用脈沖激勵信號法，針對靜態(tài)電容的測試采用交流容抗法。

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

圖5是傳感器測試裝置硬件總體框圖。

圖5 測試裝置硬件總體框圖Figure 5 Electromechanical equivalent circuit of ultrasonic sensor

2.2.1 檢波電路

因為傳感器信號衰減很大且很微弱，同時，接收到的電信號是含有被測量信息的調(diào)制信號，所以需要對再次接收到的電信號進(jìn)行檢波、濾波、放大等信號調(diào)理。頻率、阻抗和幅值測試選用圖6所示的全波檢波電路1，靜態(tài)電容測試選用圖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共同組成一個信號加法器的結(jié)構(gòu)。

2.2.2 濾波電路

濾波的目的是濾出檢波后信號存在的高頻干擾，提取待測傳感器輸出信號的低頻部分。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 測試模塊設(shè)計

2.3.1 頻率測試模塊

如圖9所示，信號發(fā)生器給傳感器輸入幅值固定、頻率可變的激勵信號Ui，采樣電阻R2將傳感器工作電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，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 傳感器頻率測試原理Figure 9 The frequency testing principle of sensor

2.3.2 阻抗測試模塊

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、固定頻率的激勵信號激勵傳感器并測試電阻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，此時可調(diào)電阻的阻值即為傳感器的阻值。

圖10 傳感器阻抗測試原理Figure 10 The impedance testing principle of sensor

2.3.3 輸出幅值測試

圖11是一個模擬工況環(huán)境設(shè)計的測試單個傳感器示意圖，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。測試時，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)換實現(xiàn)了電信號(傳感器發(fā)出)—機(jī)械波(介質(zhì)中傳輸、底板發(fā)射)—電信號(傳感器接收)的兩次轉(zhuǎn)換。

圖11 傳感器幅值測試示意圖Figure 11 The amplitude testing schematic of sensor

2.3.4 靜態(tài)電容測試

壓電式超聲波傳感器不加激勵信號時等效為電容，在此條件下測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信號，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。

3 測試結(jié)果及分析

采用標(biāo)準(zhǔn)儀器與本設(shè)計的測試裝置分別對傳感器樣品進(jìn)行測試并比對分析。

(1)諧振頻率與反諧振頻率：采用頻率特性測試儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號為SA1005D；

(2)諧振阻抗與反諧振阻抗：采用電阻箱、示波器、函數(shù)信號發(fā)生器作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號分別為ZX32D、TDS2012C、DG1022U；

(3)幅值測試：采用示波器、水浴鍋等作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，示波器型號為TDS2012C；

(4)靜態(tài)電容：采用LCR測試儀、標(biāo)準(zhǔn)電容盒作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，型號分別為TH2811C、ATCDB12。

3.1 諧振頻率(阻抗)與反諧振頻率(阻抗)

連續(xù)進(jìn)行了5次測試實驗，數(shù)據(jù)如表1所示。表中標(biāo)準(zhǔn)儀器測試數(shù)據(jù)記為I，設(shè)計裝置測試數(shù)據(jù)記為Ⅱ。由表1可知，設(shè)計裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測試結(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，最大相對誤差為0.29%。對比可知，設(shè)計裝置讀數(shù)穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計要求。

表1 諧振頻率(阻抗)與反諧振頻率(阻抗)實驗數(shù)據(jù)Table 1 The experimental data of resonant frequency (impedance) and anti-resonance frequency (impedance)

由表1可知，設(shè)計裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測試結(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，最大相對誤差為0.34%。對比可知，設(shè)計裝置輸出值穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計要求。

3.2 靜態(tài)電容

設(shè)計裝置靜態(tài)電容測試范圍為100～2 400 pF，用標(biāo)準(zhǔn)電容盒作為標(biāo)定設(shè)備，每隔100 pF測試一次結(jié)果、重復(fù)測試5次，測試數(shù)據(jù)如表2所示，為簡化表格，選取100、500、1 500、2 000、2 400 pF 5個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由表2可知，設(shè)計裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀器測試結(jié)果中，針對電容盒的5個電容值(100、500、1 000、1 500、2 400 pF)，標(biāo)準(zhǔn)儀器實測電容的最大偏差值分別為9、8、18、8、68 pF，最大相對誤差為9%，出現(xiàn)在第1列數(shù)據(jù)中；設(shè)計裝置實測電容的最大偏差值分別為5、5、10、0、0 pF，最大相對誤差為5%，也出現(xiàn)在第1列數(shù)據(jù)中。對比可知，設(shè)計裝置輸出值穩(wěn)定，測試結(jié)果一致性好，滿足設(shè)計要求。

表2 靜態(tài)電容實驗數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of static capacitance pF

3.3 發(fā)射幅值與回波幅值

表3為發(fā)射與接收幅值的5次測試數(shù)據(jù)。從表3可以看出，因為對輸出信號做了必要的調(diào)整，所以無論是輸出信號的幅值還是信號的一致性，設(shè)計裝置都有了很大的改善。設(shè)計裝置對傳感器輸出信號進(jìn)行整流濾波放大之后進(jìn)行讀數(shù)，因此測試數(shù)據(jù)相對較大。

表3 發(fā)射幅值與回波幅值實驗數(shù)據(jù)Table 3 The experimental data of the sending wave amplitude and the returned wave amplitude V

3.4 配對實驗

實驗方案如圖11所示，以5只傳感器為例，測試條件：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)，測試數(shù)據(jù)取樣間隔溫度為10 ℃；3)測試對應(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試數(shù)據(jù)如表4所示，圖12為自收自發(fā)測試數(shù)據(jù)曲線圖。

由表4與圖12可知，1號、2號傳感器特性接近，3號、4號傳感器特性接近。根據(jù)一收一發(fā)測試數(shù)據(jù)選擇傳感器配對的有效性，將1號與2號、3號與4號分別在工況條件下進(jìn)行互為收發(fā)的配對實驗，測試結(jié)果如表5所示。表中“1→2”表示1號傳感器發(fā)送信號，2號傳感器接收信號，圖13為一收一發(fā)配對數(shù)據(jù)曲線圖。

表4 自收自發(fā)傳感器輸出幅值測試結(jié)果Table 4 The output amplitude test results of self-sending and self-receiving sensor V

編號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、2號傳感器配對后收發(fā)特性接近，3號、4號傳感器配對后收發(fā)特性接近，而特性接近的傳感器轉(zhuǎn)換效率也接近，信號傳輸過程中衰減也接近，信號處理電路中信號的上升率與相位移也接近，這樣就可以更好地保證流量計量精確度。

需要說明的是，流量計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)定值作為檢測參數(shù)用于生產(chǎn)實踐中。

4 結(jié)束語

針對目前超聲波流量計生產(chǎn)過程中存在的因傳感器性能一致性差而帶來的超聲波流量計精確度不高、產(chǎn)品合格率低等問題，通過理論分析及大量實驗，提出了一種可以用于同一支超聲波流量計上的一對超聲波傳感器的測試方法，并給出傳感器配對選擇的依據(jù)，以及給出具體測試的關(guān)鍵電路設(shè)計方法。實驗數(shù)據(jù)分析證明了理論分析與具體設(shè)計的有效性，該裝置已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，生產(chǎn)效率與成品率都有很大提高。