一种超声波流量换能器的设计

韩德龙，陈青松，冯红亮

一种超声波流量换能器的设计

韩德龙，陈青松，冯红亮

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

基于ANSYS有限元分析软件，并结合理论分析，对用于常温下煤油等液态燃料流量计量的超声波换能器的压电晶片、匹配层进行研究。选用厚度2mm的PZT-5A压电陶瓷圆盘作为压电晶片，金属铝、聚苯乙烯为匹配层，GCC2002+钨粉、E51-618+钨粉为背衬层，制备换能器样机，并搭建流量测试平台，进行流量测量试验。试验结果证明，匹配层为聚苯乙烯、背衬层为GCC2002+钨粉时，超声波换能器性能较好，在60~300g/s的流量范围内误差为0.3%。

超声波换能器；谐振频率；灵敏度；衰减特性；流量

引 言

超声波是指频率高于20kHz的声波。它具有方向性好，穿透能力强的特点，被广泛应用于天然气、石油等流体流速的测量，并表现出了卓越的可靠性与安全性。超声波流量计通常由超声波换能器、信号采集器、数据处理软件等部分组成。其中，超声波换能器能够将超声波信号与电信号进行相互转换，从而实现超声波信号的发射与接收功能，是超声波流量计的关键组成部件，其性能将直接影响测量信号的发射/接收特性，是超声波流量计能否可靠工作的关键[1-3]。根据不同的使用条件及测量要求，换能器各部分的材料与尺寸参数也需要相应调整，因而如何确定换能器的材料及参数一直是设计超声波换能器的难点与重点[4,5]。

本文针对用于煤油等液态燃料流量测量的超声波换能器中的压电晶片、匹配层和背衬层设计进行了研究，在声波传播介质为煤油、测量管路直径为20mm条件下，利用ANSYS有限元分析软件，研究讨论了压电晶片及匹配层的材料及厚度等参数的选择，以及对换能器发射声波声压、谐振频率、发射声波频率的影响。根据仿真结果，设计并制备了换能器原理样机，结合p型测量管路及ZXUS-NET型超声检测卡搭建流量测量试验平台，进行流量测量试验。试验结果表明，以聚苯乙烯为匹配层，GCC2002+钨粉为背衬层的换能器发出与接收的信号的灵敏度与反向波衰减特性均较好。

1 换能器设计与仿真分析

超声波换能器通常由压电晶片、匹配层、背衬层与保护外壳等部分组成。其中压电晶片通过正逆压电效应发出与接收超声波信号，其特性将直接决定超声波换能器谐振频率等性能。而匹配层则用于降低压电元件与流体传播介质之间的阻抗梯度，从而提高超声波能量的传递效率，进而提高超声波换能器的灵敏度。背衬层则抑制和吸收反方向传递的超声波，减少换能器的固有杂波，提高换能器的反向波衰减特性。

1.1 压电晶片材料及尺寸设计与仿真分析

当压电晶片受到脉冲电信号激励时，产生逆压电效应，压电晶片产生伸缩变形，将电能转换为声能，换能器发射超声波；反之，当压电晶片接收超声波时，压电晶片产生正压电效应，将声能转换为电能，换能器接收超声波。

压电晶片发出声波的能力与其材料、振动模式及尺寸参数有关。根据不同的使用条件及性能要求，采用的材料、振动模式及尺寸参数也有相应的改变。

不同的压电材料的机电耦合系数k、压电应变常数d、压电电压常数g、介电常数与弹性常数等性质都存在差异，其适用环境也有所不同。针对煤油等液态燃料小流量下的流量测量，超声波探头需要在常温、小功率条件下稳定发射与接收超声波信号。相比于钛酸钡(BaTiO3)、PZT-4、PZT-8、偏铌酸铅（PbNb2O6）等压电材料，PZT-5A型压电陶瓷具有较高的机电耦合系数、很高的压电应变常数，其机电参数的时间与温度稳定性均比较优异，适用于低功率的收发两用型超声波换能器，故选用PZT-5A型压电陶瓷作为换能器压电晶片材料[6]。

压电晶片形状有圆盘状、圆柱状、长方体状等，对应的振动模式也有厚度振动、径向振动、弯曲振动等形式，其适用的振动频率范围也有所不同。针对液态流体的流量测量，通常要求检测用超声波频率为1~2MHz。选择1MHz作为检测用超声波频率，对于该频率，长度振动与厚度振动模式皆可以实现，根据拟定的换能器结构，厚度振动可以更好地获得较为集中的声波，更适于超声波信号的收发，故选择厚度振动模式为压电晶片工作模式。

根据驻波理论，忽略边缘效应，厚度振动模式的压电晶片在高频脉冲电信号激励下发生谐振时，其参数满足如下条件

式中，h为晶片厚度，为晶片中的纵波波长，CL为晶片中纵波的波速，f为压电晶片谐振频率。通过相关资料可知，常温条件下，PZT-5A材料中纵波传播速度CL约等于3900~4400m/s，由公式（1）可得，当选取的检测用超声波频率为1MHz时，PZT-5A压电晶片厚度的理论值h约等于1.95~2.20mm。

考虑到实际中压电晶片直径并非无穷大，压电晶片的实际谐振频率与公式（1）计算得到的结果并不完全一致，故使用ANSYS有限元分析软件进行仿真验证。

利用ANSYS有限元分析软件，采用SOLID5单元建立直径15mm，厚度2mm的PZT-5A压电晶片三维模型，通过ANSYS谐响应分析，对压电晶片上表面施加有效值20V，频率范围500~1500kHz的正弦激励电信号，将压电晶片下表面接地。得到压电晶片表面振幅与正弦激励电信号频率关系及振动形变模式分别示于1、图2：

由仿真结果可知，直径15mm，厚度2mm的PZT-5A压电晶片振动模式为厚度振动时，谐振频率约为0.97MHz约等于1MHz，满足目标要求。根据理论及仿真分析结果，确定以直径15mm，厚度2mm的PZT-5A圆盘作为换能器压电晶片。

图2 压电晶片振动形变图

1.2 匹配层材料与尺寸设计与仿真分析

可知，此时只有很少一部分声能透射出来，很大程度上影响了流量测量的灵敏度，所以需要在超声波换能器中加入匹配层作为过渡介质，提高声能传递效率，进而提高灵敏度。若采用单层匹配层，理论上声强透射系数近似为[7]

式中，3为匹配层的声特性阻抗、3为匹配层厚度。

考虑到实际偏差，利用ANSYS有限元分析软件，分别对匹配层为金属铝、环氧树脂、聚苯乙烯时，厚度分别为1.4~1.9mm、0.3~0.8mm、0.3~0.8mm时，对超声波换能器的激励响应进行瞬态分析，建立的换能器位于流体介质（煤油）中二维仿真模型。

通过ANSYS瞬态分析模拟压电晶片在受到20V，0.5μs的脉冲信号激励情况下，分别采用环氧树脂、金属铝、聚苯乙烯作为匹配层材料时，随着匹配层厚度的变化，距离换能器20mm处流体中的声压峰峰值、以及声波频率的变化。同时，由于环氧树脂声阻抗特性随其成分及固化条件不同而不同，拟采用常温固化条件下E51-618的环氧树脂进行仿真。仿真结果统计后如下图所示：

由仿真结果可知，在上述参数设定下，相比于常温固化条件下的E51-618环氧树脂与金属铝材料，匹配层为聚苯乙烯材料时不论是换能器发出的声波声压大小，还是发出声波的频率都要更符合要求。并且当聚苯乙烯匹配层厚度为0.6mm时，换能器灵敏度达到最大，此时距换能器20mm处液体中的声压峰峰值达到33343Pa。根据图3仿真结果，相比于环氧树脂E51-618，当匹配层采用聚苯乙烯与金属铝时，换能器灵敏度较大，故在设计中可采用金属铝或聚苯乙烯作为换能器匹配层材料。

图3 声压峰峰值比较

图4 声波频率比较

1.3 背衬层材料设计与分析

换能器的背衬层根据背衬材料的性质，通常可以分为轻背衬和重背衬两种。轻背衬通常采用空气作为背衬材料，能够保证换能器的高灵敏度和工作频率的稳定。重背衬通常采用重金属或由钨粉配置的混合物作为背衬材料，能够提高换能器的分辨率，降低换能器的噪声，并起到一定的密封及保护换能器的作用。

当将超声波换能器用于液态流体的流量测量中时，由于采用互相关方法对换能器信号进行分析处理，故对于信号的信噪比、分辨率都有一定的要求，因此需要采用重背衬。本文采用环氧树脂E51-618+钨粉（质量比1:2）与环氧树脂GCC2002+钨粉（质量比1:2）制作超声波换能器背衬层，并通过浇灌法与压电晶片连接。

2 换能器样机制备

基于仿真与理论分析结果，分别制备了换能器a和换能器b两种样机，优化超声波换能器设计方案示于图5。两种样机的不同点在于：

换能器a的匹配层为1mm厚度的聚苯乙烯、背衬层为环氧树脂GCC2002+钨粉（质量比1:2）；

换能器b的匹配层为1.7mm厚度的金属铝、背衬层为环氧树脂E51-618+钨粉（质量比1:2）；

两种样机的共同点在于换能器外壳采用机加金属铝制成；电极层均通过DAD40导电胶将压电晶片与外壳粘接连通；采用导电片从压电晶片正极连接高频同轴线缆引出信号。

制备完成后换能器样机实物如图6所示。

对换能器波形图分析，可知：

换能器a接收到的超声波信号峰峰值远高于换能器b，其灵敏度约为换能器b的1.78倍，可知以聚苯乙烯为匹配层时，在该应用条件下，换能器匹配特性较金属铝更优良，超声波信号的传递效率更高。

图5 换能器结构

图6 换能器实物

图7 换能器a波形（增益25db）

图8 换能器b波形（增益30dB）

相比于换能器b，换能器a的衰减特性更好，当信号振幅达到最大后并衰减为峰值的1/3时，经过的时间约为1.5个周期，是换能器b花费时间的3/8。可知相比于环氧树脂E51-618+钨粉（质量比1:2），环氧树脂GCC2002+钨粉（质量比1:2）对反向波的衰减特性更好，更适于作为该条件下换能器的背衬材料。

3 流量测量试验

对60~300g/s范围的流量进行了测量。试验时，搭建的流量测量系统利用超声波顺逆流传播时间差和p型测量管参数计算得到流体的流量，同时通过计时称重法测量该流量，对两种方法的测量结果进行比较，分析所研制的超声波流量测量换能器的性能，试验结果示于表1。

表1 换能器a流量测量试验结果

表2 换能器b流量测量试验结果

分析测量试验结果可知，当管道内流体流量为60~300g/s时，换能器a中的测量误差为0.3%；换能器b中的测量误差为0.8%。换能器a试验结果较好。

4 结束语

针对煤油等液态流体小流量下的流量测量，本文利用ANSYS有限元分析软件，结合理论分析，设计并制备了分别以聚苯乙烯为匹配层，环氧树脂GCC2002+钨粉为背衬层的换能器a和以金属铝为匹配层，环氧树脂E51-618+钨粉为背衬层的换能器b。测试表明，采用聚苯乙烯为匹配层的换能器激发超声波的灵敏度优于金属铝为匹配层的换能器；采用GCC2002+钨粉为背衬层时，换能器对反向波的衰减特性及信噪比均优于E51-618+钨粉背衬。流量测量证明，采用聚苯乙烯为匹配层、GCC2002+钨粉为背衬层的换能器构建的试验装置在60~300g/s范围内，可实现测量误差小于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

韩德龙 1994年生，在读硕士研究生，主要研究方向为超声波流量传感器。

陈青松 1972年生，研究员，硕士生导师，主要研究方向为传感器及仪器仪表。

冯红亮 1976年生，高级工程师，主要研究方向为传感器。

2019-03-25

2019-04-29

TEL:010-68382327 010-68382557

Email:ycyk704@163.com