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　　超聲多普勒探頭，即換能器是多普勒流量計(jì)的傳感原件，通常安裝在被測(cè)流體的管道外部，不接觸被測(cè)流體，不干擾流體的流動(dòng)，無壓力損失，維修方便，特別適用于有毒、有害、有腐蝕性和帶有磨料的液體。其突出優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)高分辨率，對(duì)流速變化響應(yīng)快，對(duì)流體的壓力、粘度、溫度、密度及導(dǎo)電率等因素不敏感，沒有零點(diǎn)漂移問題。它直接影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此無論是流量計(jì)的設(shè)計(jì)制造者還是使用部門，對(duì)換能器的選型、材料、結(jié)構(gòu)、工藝及安裝都非常重視，渴求獲得精度高、性能穩(wěn)定的傳感器。

　　1 超聲傳感器

　　超聲傳感器，也即超聲換能器，是產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，是超聲定位系統(tǒng)中的重要組成部分。

　　通常所說的超聲傳感器是指電聲換能器，是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。用來發(fā)射聲波的傳感器稱為發(fā)射器，當(dāng)傳感器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能來接收聲波的傳感器稱為接收器，當(dāng)傳感器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲傳感器的工作原理大體是相同的，通常都有一個(gè)電儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)用作發(fā)射器時(shí)，從激勵(lì)電源的輸出級(jí)送來的電振蕩信號(hào)將引起傳感器中電儲(chǔ)能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，這種電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化對(duì)傳感器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，從而推動(dòng)與傳感器機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)發(fā)生振動(dòng)，向介質(zhì)中輻射超聲波。接收超聲波的過程正好與此相反，在接收超聲波的情況下，外來超聲波作用在傳感器的振動(dòng)面上，從而使傳感器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，借助于物理效應(yīng)引起傳感器儲(chǔ)能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起傳感器的電輸出端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于聲信號(hào)的電壓和電流。通過對(duì)電壓或是電流信號(hào)的數(shù)字處理，獲取所需信息。超聲多普勒流量計(jì)探頭正是應(yīng)用這種原理制造的。

　　2 超聲多普勒流量計(jì)探頭結(jié)構(gòu)

　　超聲多普勒流量計(jì)的外夾式探頭，測(cè)量、安裝和維修均不影響管道流體狀態(tài)，無流動(dòng)壓力損失，且便攜性好，拆卸方便。其探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

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　　探頭殼體用鋁制成，上有凹面槽，便于用固定帶外夾捆綁安裝在管道外壁上。

　　壓電換能器晶片采用性能優(yōu)良的壓電陶瓷材料PsnN-51。壓電晶片為薄圓片型，沿厚度方向振動(dòng)，產(chǎn)生的超聲波為縱波。該壓電陶瓷靈敏度和居里溫度高、各種參數(shù)時(shí)間穩(wěn)定性好，具有較高的介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，非常適用于高溫高壓環(huán)境下的超聲多普勒流量測(cè)量。

　　探頭中填充的背襯材料選用硅膠，為高阻抗、高衰減的吸聲材料，可以吸收壓電換能器晶片背面輻射的超聲波并將其轉(zhuǎn)換為熱能，減小背面輻射產(chǎn)生的干擾。

　　匹配元件為電感，可以改善發(fā)射、接收電路與壓電換能器晶片之間的機(jī)電耦合性能。

　　晶片前端有阻抗匹配層，厚度為1/4超聲波波長，可以實(shí)現(xiàn)換能器晶片和聲楔之間的聲阻抗過渡，避免因阻抗的顯著差異而降低界面透射系數(shù)，避免壓電換能器晶片以高Q值振蕩從而影響探頭的發(fā)射接收性能。聲楔的傾斜角度設(shè)計(jì)以及材料的選用是為了避免超聲波在管道和流體中傳播時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的交混回響，并提高信號(hào)強(qiáng)度。這里選用聚醚酰亞胺(PEI)，常溫(20℃)下縱波傳播的聲速c為2424 m/s。