超声波流量计主机与探头原理探讨  十四

超声波流量计换能器有许多不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头等。根据压电晶片的大小，如直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要性能指标包括：

①工作频率f 0 ：大多工作频率选在换能器的机械共振频率（即压电晶片的共振频率）附近。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

②机电耦合系数K t ：超声波换能器的机械能和电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。最早给出定义的梅森将机电耦合系数定义为从电源取得的总能量贮存的机械能量。

但是，定义机电耦合系数的公式很多而且各不协调。此外，压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关。因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

③换能器的机械品质因数Q m ：Q m 是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，它与标称带宽密切相关，即与换能器的机电耦合系数密切相关，而且与所在介质的辐射阻、换能器结构、材料及损耗密切相关。例如，同一只压电换能器，在水中的Q m ≈30，在空气中Q m ≈200。

④换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面换能器与发射电路（或接收电路）末级电阻应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载（或接收声负载）匹配。

⑤换能器的方向特性：一个发射或接收声波换能器，其尺寸和所在介质中的声波波长可相比拟时，它发射声能是集中在某些方向上的，即具有一定的扩散角。

为超声波波长（与频率成反比），D 为换能器直径，所以频率越高，扩散角越小。但是，超声波在传播过程中，散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4 次方和2 次方成正比，因此超声波的频率不能太高。

超声波流量计