浙江迪元仪表有限公司
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阅读：65发布时间：2025-1-22
由于超声波传播具有指向性，即存在指向角，且在实际中存在层流与紊流的影响，则超声波到达接收面的中心和周边存在时间差。因此，便存在受声传感器接收信号强度的非均匀性与非对称性问题。
本文提出了一种改进方法，在现有传感器技术基础上，将压电元件分成两体结构，在不影响有效接收信号强度的前提下，改善了接收信号的均匀性、对称性，提高了信噪比，对保证超声波流量计的测量精确度具有显著意义。
2 目前技术存在的问题
2.1 超声波波束角
超声波发射波束形状如图2所示。某一点发出的速度为ｃ的超声波以一定指向角θ发射，超声波呈圆盘状向接收侧发射，且圆盘状的截面积由小到大。
2.2理想状态下均匀性与对称性分析
理想状态是指流体在管道内的流速是一致的。
设超声波沿顺流方向传播时，波在中心线传播的时间为
，沿θ方向传播的时间为
，则：
因为c>>v，所以理想状态下超声波顺流方向传播时，超声波沿中心线和以一定指向角方向传播到达接受面的时间差为：
(1)
设超声波沿逆流方向传播时，依据式(1)计算原理可知，超声波沿中心线和以一定指向角方向传播到达接受面的时间差为：
(2)
由式(1)、式(2)比较可知：。
说明超声波与流速方向一致时，超声波分别沿中心线与以一定指向角方向传播到达接受面的时间差，大于超声波与流速方向不一致时，超声波分别沿中心线与以一定指向角方向传播到达接受面的时间差。也就是说，当管道内流体流动时，接收到的超声波存在非均匀性和非对称性。
2.3非理想状态下均匀性与对称性分析
对于非理想状态，液体存在粘滞性而具有两种流动形态。液体质点做有条不紊的运动、彼此不相混掺的形态称为层流，液体质点做不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的状态称为紊流。图3为层流与紊流流速分布比较，为轴心线流速，v表示面流速。两者之间的关系为：
层流：
紊流：(取0.825进行简化计算)
2.3.1 层流状态下均匀性与对称性分析
设超声波沿顺流方向传播时，依据式(1)计算原理可知，超声波沿中心线和以一定指向角方向传播到达接受面的时间差为：
(3)
设超声波沿逆流方向传播时，依据式(2)计算原理可知，超声波沿中心线和以一定指向角方向传播到达接受面的时间差为：
(4)
式(3)、式(4)比较可知: 。
2.3.2 紊流状态下均匀性与对称性分析设超声波沿顺流方向传播时，依据式(1)计算原理可知，超声波沿中心线和以一定指向角方向传播到达接受面的时间差为：
(5)
声波沿逆流方向传播时，依据式(2)计算原理可知，超声波沿中心线和以一定指向角方向传播到达接受面的时间差为：
(6)
式(5)、式(6)比较可知：。
由上述分析得知：
，，
可见，无论流体流速方向与超声波传输方向是否一致，超声波到达接收侧的中心与周边区域的时间都会存在一个时间差。即：因为存在指向角θ，所以沿中心线方向的超声波到达时间要短于超声波到达周边区域的时间，且顺向时间差大于逆向时间差。
这样，就存在以下两个问题：①超声波传感器接收的能量不够集中，主要原因是中心部位与周边部位存在接收信号强度的差异。同时，存在接收信号强度的非均匀性，这会降低接收信号的信噪比；②顺、逆两向都存在非均匀性，并且顺、逆两向的非均匀性不一致，这就造成了两个传感器接收信号强度的非对称性，直接影响信号发生电路与信号接收电路处理信号的效果。
以上两个问题都影响到流量检测的精确度。
3 数据分析与改进措施
针对现有技术的不足之处，本文提出的改进方法是：将现有结构的压电元件分为压电元件模块与虚拟压电元件模块，压电元件模块设置在外环，虚拟压电元件模块设置在内环，虚拟压电元件不具有压电效应。如图5所示。
因为压电元件模块的内外径之差远远小于压电元件外径，这就将有效接收信号的角度限制在很小的一个范围内，进而减小了顺逆两向超声波信号到达接收侧的时间差，大大改善了接收信号的非均匀性、非对称性，提高了信噪比。同时，将外环作为压电元件模块，保证了超声波信号的接收面积，也就保证了接收信号的强度。
本文以值与最小值之差除以流速作为相对偏差量来说明该改进方法的性。如表1，在全流速段内选择10个测量点作为对比数据。
为便于对比，本文把流速为零的接收信号时间差与接收信号强度等值依据表1得对比曲线，如图6所示。
由表1和图6可知。
现有技术接收信号时间差的相对偏差量：
(611.76-101.56)/356.66≈143%
改善后接收信号时间差的相对偏差量：
(466.93-266.39)/356.66≈51%
现有技术接收信号强度的相对偏差量：
(1252.55-207.93) /356.66≈293%
改善后接收信号强度的相对偏差量：
(477.52-284.62) /356.66≈54%
可以看出，改善后接收信号时间差的相对偏差量由143%降低到51%，其均方差由161.34ns降到57.08ns接收信号强度的相对偏差量由293%降低到54%，其均方差由304.96降到60.47。表明，该方法大大改善了接收信号时间差与强度的对称性和均匀性，流量检测精确度可得到大幅度的改善。
文章摘自：王翥, 崔晓志, 侯春雷. 超声波传感器接收信号强度非对称性分析及对策[J]. 传感技术学报, 2015(1):81-85.
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