Page 145 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 张丽稳等： 超声波流量计的压电换能器动态性能一致性研究 141

0 引言 1 压电换能器工作性能评估指标

超声波流量计是一种非接触式流量测量仪器， 1.1 压电换能器工作原理
它通过在流体中传播超声波信号，根据信号的顺逆 图 1 为压电换能器结构图。压电换能器是一种
流传播时间差来计算流量。与其他类型的流量计相
利用压电效应将电能转换为机械振动能量的器件，
比，超声波流量计具有精度高、响应快、测量范围
广泛应用于医疗、工业和民用领域。压电换能器主
宽、不受流体性质影响等优点。因此，它被广泛应
要由压电陶瓷元件、吸收 (背衬)层、匹配层组成。当
用于石油、化工、冶金、电力、供水等行业。超声波
电信号 (激励信号) 以一定形式的波形 (方波、正弦
流量计的核心部件之一是压电换能器。换能器负
波、锯齿波等) 驱动上游换能器时，内部压电晶片会
责发射和接收超声波信号，它的性能直接影响到流
在电场的作用下发生形变，产生机械振动，进而产生
量计的测量精度和可靠性 [1] 。压电换能器的性能
超声波，下游换能器接收后使得内部压电晶片发生
可以分为稳态性能和动态性能两部分。稳态性能
形变，产生电荷，进而产生纺锤形状的超声回波信
主要描述超声换能器的阻抗特性，包括机电耦合系
号，压电换能器工作原理如图2所示。
数、指向性、机械品质因数和频率特性等。动态性
能主要指换能器在激发信号的驱动下分析超声信
号的灵敏度、波形特征等。在超声波流量计中，通 ܱܧ ηՂጳ
常使用成对换能器，分别负责发射和接收超声波信
号，这两个换能器需要配对使用，以保证测量结果的 ծஆࡏ
准确性。
关于动态性能分析换能器性能方面的研究，吴
建文 [2] 通过计算换能器的对射回波信号的协方差
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法和相关系数，实现换能器性能的一致性评估，该
方法需较大的样本存储空间与计算量。张伦等 [3] 通 图 1 压电换能器结构图
Fig. 1 Structure diagram of piezoelectric transducer
过求得不同流量点的峰值点回波包络线分析回波
特征并进行定位与计算，该方法进行一致性评估需 ༏ԧηՂ
要在多个流量点进行分析，较难应用于超声流量计
的量产。孙志刚 [4] 对换能器进行温度和压电陶瓷 ʽ຤૱ᑟ٨ ڀฉηՂ
厚度的变化实验，测量它们在不同条件下的各种参
数，然后分析参数的变化规律和对性能以及转换效 ʾ຤૱ᑟ٨
率的影响程度，但没有做流量计流量性能测试实验。
王舒文等 [5] 通过高斯模型和人工鱼群算法实现回
图 2 上下游换能器工作示意图
波信号特征参数的最优估计，建立超声换能器的动
Fig. 2 Working diagram of upstream and down-
态回波模型，并根据各超声换能器之间的回波特征 stream transducer
参数计算欧氏距离，实现超声换能器的一致性评估，
该方法有效地实现了超声换能器一致性评估但实 1.2 压电换能器性能评价指标
施过程较为复杂，需要构建模型进行特征参数最优 (1) 超声波流量计的压电换能器的稳态性能评
估计。 价指标主要包括工作频率、机电耦合系数、机电转
针对以上问题，本文提出一种动态时间规整 换系数、品质因数、阻抗特性、发射声压和接收灵敏
(Dynamic time warping, DTW) 的方法，来判断不 度等。这些指标反映了压电换能器在发射和接收超
同换能器在自发自收时输出信号波形的相似度，并 声波信号时的效率、稳定性、指向性、灵敏度 [6] 等方
评估换能器动态性能的一致性。通过理论分析和 面的特性，从而影响了流量测量的准确性和可靠性。
实验验证为超声波流量计配对研究和应用提供了 在进行压电换能器的设计和制造时，必须根据具体
参考。 的应用需求，对这些指标进行合理的选择和优化。