浙江迪元儀表有限公司
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閱讀：116發布時間：2025-1-22
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。
2 目前技術存在的問題
2.1 超聲波波束角
超聲波發射波束形狀如圖2所示。某一點發出的速度為ｃ的超聲波以一定指向角θ發射，超聲波呈圓盤狀向接收側發射，且圓盤狀的截面積由小到大。
2.2理想狀態下均勻性與對稱性分析
理想狀態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
，沿θ方向傳播的時間為
，則：
因為c>>v，所以理想狀態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為：
(1)
設超聲波沿逆流方向傳播時，依據式(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為：
(2)
由式(1)、式(2)比較可知：。
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。
2.3非理想狀態下均勻性與對稱性分析
對于非理想狀態，液體存在粘滯性而具有兩種流動形態。液體質點做有條不紊的運動、彼此不相混摻的形態稱為層流，液體質點做不規則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的狀態稱為紊流。圖3為層流與紊流流速分布比較，為軸心線流速，v表示面流速。兩者之間的關系為：
層流：
紊流：(取0.825進行簡化計算)
2.3.1 層流狀態下均勻性與對稱性分析
設超聲波沿順流方向傳播時，依據式(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為：
(3)
設超聲波沿逆流方向傳播時，依據式(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為：
(4)
式(3)、式(4)比較可知: 。
2.3.2 紊流狀態下均勻性與對稱性分析設超聲波沿順流方向傳播時，依據式(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為：
(5)
聲波沿逆流方向傳播時，依據式(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為：
(6)
式(5)、式(6)比較可知：。
由上述分析得知：
，，
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。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 數據分析與改進措施
針對現有技術的不足之處，本文提出的改進方法是：將現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，虛擬壓電元件模塊設置在內環，虛擬壓電元件不具有壓電效應。如圖5所示。
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性。如表1，在全流速段內選擇10個測量點作為對比數據。
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表1得對比曲線，如圖6所示。
由表1和圖6可知。
現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：
(466.93-266.39)/356.66≈51%
現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。
文章摘自：王翥, 崔曉志, 侯春雷. 超聲波傳感器接收信號強度非對稱性分析及對策[J]. 傳感技術學報, 2015(1):81-85.
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