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液位计用压电换能器选型探讨赵俊杰,等
液位计用压电换能器选型探讨
赵俊杰,王彦,张贤雨
(河西学院物理与机电工程学院甘肃张掖,734000
摘要:超声波液位计用压电换能器是典型的收发两用型换能器。换能器的关键参数包含串联诺振频率(fs)、并联谐
振频率(印)、介电常数(e)、压电应变常数(d)、压电电压常数(g)等等。本文试图理清在上述众多的参数、指标中,
那些参数、指标对液位计整机性能影响更大一些。
关键词:超声波液位计;压电换能器;参数;指标
Abstract: Ultrasonic liquid level meter with a piez eleni ransducer s a cal transceiver dual-purpose transducer. Trans
ducer contains the key parameters of series resonant frequency(fs and parallel resonant frequency (), dielectricconstant(epsilon),
(d), piezoelectric piezoelectric strain constant voltage constant(), and so on. This article attempts to sort out in the numerous param
eters and indicators, the parameters and indicators to gauge performance influence.
Key words: Ultrasonic liquid level meter, Piezoelectric transducer; Parameters; indicators
中图分类号:TH816.2
文献标识码:B
文章编号:1001-9227(2013)04-0106-02
引言
电效应)在申联谐振频率￡附近,而声波接收状态(正压电效
本文只针对压电换能器本身参数、指标对液位计整机性能应)在并联谐振频率附近。为了扩大换能器的通频带尤其是
的影响进行分析,而不包括积算仪部分可能存在的各种不确定接收灵敏度,要求￡和都较小,且两者之间的关系满足Qa>
因素
Q,如图1所示
Om
1频率
压电换能器工作频率的选择需要从两个方面进行考虑。首
先,对于测量型仪表,要求换能器所发射声场指向性好,为了
得到较好的声场指向性,需要将换能器的工作频率设定在
个较高的水平;然而由于声波在介质中传播的能量损耗与声波
fs fp
的频率成正比,为扩大测量范围,其换能器工作频率不能太
图1品质因数关系
高。综合上面两个因素,换能器工作频率设定需要权衡声场指
(2)测量分辨率要求
向性与仪表所需测量范围之间的矛盾关系来确定换能器的工作
频率。
2机械品质因数Qn
回号
压电元件在谐振时,要克服内摩擦而产生能量损耗,机械
品质因数Q。就是衡量该能量大小的。Qn是压电换能器的一个
重要设计参数,也与压电元件谐振模式有关。Qn与机械损耗
成反比,Q。越大,机械损耗越小,能量衰减越慢,通频带越
图2最小分辨率影响因素示意图
低。其数学表达式为:
如图2所示,t1时间内是激励换能器的电脉冲群,t2时间
Q=4m(C。+Cの)R,f
内是伴随电脉冲群激励换能器而产生的应电压V,在实际应用
中是作为噪声来处理的,t3时间内是超声回波信号。液位计最低
式中,C。为静态电容;C1为动态电容;f为通频带;
R1为动态电阻。
分辨率(最小测量距离)是由t2时间的长短决定的(积算仪时
间测量单元系统时钟引起的原理性误差除外)。数学表达式为:
不同压电换能器对压电陶瓷的Q值有不同的要求,多数
陶瓷滤波器要求压电陶瓷的Q值要高,而音响元件及接收型
L=(2xV/2
式中,为物位计最低分辨率,t2为图2中所示的伴随激励
换能器则要求Q。要低,超声波液位计用压电换能器典型要求
是窄脉冲,高带宽,因此要求Q。值较低,原因如下
而产生的应电压的持续时间,V为声波在介质中的传输速度。
通过上式可以看出,t2持续时间的长短直接影响物位计最低分
(1)高通频带要求
辨率。
作为收发两用型换能器,一般情况下声波发射状态(逆压
上述两个因素均要求换能器Q。值较小。为了减小换能器
收稿日期:2013-05-11
的Qn值
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《自动化与仪器仪表》2013年第4期(总第168期)
3压电常数
众多压电常数中,压电应变常数d和压电电压常数g是最
重要的两个常数。其中压电应变常数d是表示因为内应力T产
生的电位移D或因为外加电场E产生的应变S之间的关系;而
压电电压常数g表示内应力所产生的电场或应变所产生的电位
移的关系。常数g与常数d之间的关系如下:
d
是介电常数
超声波液位计是检测超声的典型应用,其振动模式为厚度
谐振,因此要求d和g尽量大一些。
压电说
4机电耦合系数K
声四配
机电耦合系数K不仅与压电材料有关,还与压电体的震动
图3超声波换能器组件示意图
模式和形状有关,有利于发射和接收。作为超声波液位计应要
图3为超声波换能器组件示意图,图中压电陶瓷和整村吸求K,K尽量大一些。
声材料是决定换能器Qa值的关键部件,可以从上述两个关键5结束语
部件入手来控制整个换能器的Q。值。
优良的性能,对于不同用途的换能器是完全不相同的
(1)选择低Q。值压电陶瓷材料来制作液位计压电换能器;
般来说,发射换能器要求压电元件的d值要高一些,tan6要小
(2)垫衬吸声材料(又称为吸收块、吸声块),用于衰减
一些;对于接收型换能器,要求压电元件的g33要高一些;对于
并吸收压电振子背向辐射的超声能力,使之不在探头中来回反
脉冲一回波式换能器,则要求d×g要高一些,k/k要大一些
射而使振子的振铃时间加长。因此要求垫衬具有较大的衰减能
对于高频换能器则要求压电元件的频率常数要大一些。任何类
力,并具有与压电材料接近的声阻抗,以使来自压电振子背向
型的换能器都要求压电元件的有效机电耦合系数要大一些
辐射的声波全部进入垫衬中并不再反射回到振子中去,吸声材
参考文献
料一般为环氧树脂加钨粉,或铁氧体粉加橡胶粉配合而成。
[]冯若超声手册M南京大学出版社,1999
[2]林金虎匹配层厚度振动换能器研究声学技术,2010,29(5)
(上接第105页)
同时还可以进行温度设定和管路流程中所有阀门的开关控制。
设置的各种软件模块进行简单的组合,便可以非常容易地实现
“实时曲线”窗体可以分别绘画出反应釜温度、反应釜压
和完成监控层的各项功能,缩短了自动化工程师系统集成的时力、天平值、气量所对应的曲线,点击窗口中的“打印”按钮
间,大大提高了集成效率。
可以将当前窗口打印出来
本软件系统主要完成数据统计与分析、图形显示、安全管
实验过程中,软件系统自动将采集到的数据存储到计算机
理、测试数据存储、报告(表)输出和打印等功能。系统可按硬盘中,可通过调用“报表”窗口查看和编辑,用户可以根据
照不同