Page 146 - 《应用声学》2025年第1期
P. 146

142                                                                                  2025 年 1 月


                 值得注意的是,阻抗特性分析中的换能器阻抗                              由于单一的超声发射或接收过程涉及到换能
             匹配是影响流量计性能和精度的重要因素之一,压                            器的自由声场声压参数,较难测试,因此对换能器进
             电换能器的等效电路及阻抗匹配电路如图3所示。                            行暂态特性分析时通常是根据换能器在自发自收

                      ᫾ઈӜᦡႃ᡹          ૱ᑟ٨኎஍ႃ᡹                  情况下输出的信号来进行讨论。通过驱动电路施加
                                                               相同的激励信号作用到这些待测换能器上,将它们
                        L                   L m
                                                               各自产生的回波信号进行形态差异比较,其差异越
                                              C m
                                                               小,则其一致性越好。压电换能器自发自收信号波
                                    C 
                            C
                                                               形如图4所示。
                                        R 
                                              R m
                                                               2 换能器动态性能一致性研究
                                                               2.1  DTW算法
                      图 3  换能器阻抗匹配电路示意图
                                                                   DTW 算法是一种度量两个时间序列相似度的
                Fig. 3  Impedance matching circuit diagram of
                                                               方法,采用满足一定条件的时间规整函数描述参考
                transducer
                                                               模板和测试模板的时间对应关系,计算两模板匹配
                 换能器等效电路包含压电晶片的介质电阻R 0 、
                                                               时最小累加距离。其特点在于两个时间序列在长度
             静态电容C 0 、动态电感 L m 、动态电容 C m 和包含动
                                                               不相等、时间步错位或偏移,甚至两序列呈非线性
                                            [7] 。阻抗匹配电
             态电阻及负载电阻的等效电阻 R m
                                                               关系时依然能够对比其相似程度,原理如图5 所示。
             路保证了信号的完整性,确保信号的发生和传输不
             变形,使换能器输出功率最大化,最终达到提高流量
             计量精度的目的。
                 (2) 压电换能器动态特性就是换能器在脉冲信
             号下的信号传输特性,可以从以下几个方面来进行:
                                                                                0    5   10  15  20  25   30
             1 ⃝ 当超声换能器受到电脉冲激励时,它在负载中产                          30             m
             生的超声波脉冲响应; 2 ⃝ 当超声换能器受到超声波                                                                w K
                                                                25
             脉冲作用时,它输出的电脉冲响应;3 ⃝ 超声换能器
                                                                20
             受到驱动电路激励信号如方波、锯齿波、正弦波作
             用时,换能器激发的超声脉冲经反射面折返,再由换                            15
                                                                                j
             能器接收后的脉冲响应。                                        10
                 以上三种情况就是通常所说的超声发射、接收                                             w 
                                                                 5
             以及自发自收特性。超声换能器的这些特性不仅与                                                  w 
                                                                 0                w 
             其结构和工作模式有关,还与激励信号 (发射时的                                                        i            n
             电压波形以及接收时的入射声波波形)有关                    [2] 。
                                                                           图 5  DTW 算法原理示意图
                                                                        Fig. 5 DTW algorithm schematic

                                                                   压电换能器的动态性能一致性研究是将压电
                                                               换能器的输出信号看成一组随时间变化的复杂的
                                                               数据集合,即时间序列;通过计算并比较两个时间
                                                               序列之间的最短距离得出不同换能器之间电信号
                                                               波形的相似程度,常用方法如欧氏距离法、斜率距
                                                               离法等。欧氏距离法无法排除噪声信号的影响,且

                     图 4  换能器自发自收信号波形实测图                       当两组信号非等长时,还需等长变换和分段对齐处
               Fig. 4 Measured diagram of the spontaneous and  理,处理较为复杂。而 DTW 算法既可以解决处理
               self-receiving signal waveform of the transducer  两个长度不一样的序列,还具有更好的耐同步和耐
   141   142   143   144   145   146   147   148   149   150   151