姚　灵， 左富强， 王欣欣

(浙江省水表研究院， 浙江 宁波 315032)

超声水表换能器综合性能指标的建立

姚灵， 左富强， 王欣欣

(浙江省水表研究院， 浙江 宁波 315032)

摘要:超声检测换能器的各项基础技术指标体系已比较完善， 但换能器的基础技术指标不能替代产品制造过程中能够快速识别其性能特性的综合性能指标. 经过大量实验与研究， 本文提出了用于生产制造过程和产品质量控制的超声水表换能器综合静态指标和综合动态指标两类技术指标体系， 使其能基本满足超声水表换能器的工序检测与型式试验项目的要求， 也为相关标准的起草制订做好准备.

关键词:超声水表； 超声换能器； 换能器综合性能指标； 换能器工序检测； 换能器型式试验

0引言

换能器是超声水表中最为关键的核心部件之一[1]， 但我国至今尚未建立起综合评价超声水表换能器使用特性的技术指标和方法， 对这方面的研究探索也不多， 这对即将批量投放市场的新型电子水表产品而言是存在有一定技术风险的.

评价超声水表换能器工作性能的标准制订工作国家还在审批之中， 如何在标准起草前做好超声水表换能器综合性能评价指标和方法的研究与构建， 是保证标准适用性的重要前提， 也是超声水表产品能否长期稳定可靠工作的重要保证.

当今， 超声检测换能器的各项基础技术指标已比较完整且形成体系[2]， 但换能器基础技术指标不能替代制造过程中快速识别超声水表换能器的综合性能指标， 仅能作为综合性能指标的技术依据和支撑[3].

1换能器的结构与特性

1.1基本结构及原理

超声水表换能器主要由压电陶瓷元件、 阻抗匹配层、 吸收(背衬)材料、 金属外壳及信号引出线等组成， 其结构见图 1 示意图. 同一换能器采用发射和接收交替工作方式[4].

换能器的压电陶瓷元件通常以薄圆片厚度振动模式工作,其振子的几何形状、 极化和激励方式见图 2. 当薄圆片厚度远小于直径时， 其振动模式的反谐振频率与厚度成反比[1]， 即

(1)

图 1　超声水表换能器结构示意图Fig.1　Ultrasonic water meter transducer structure diagram

图 2　压电换能器厚度伸缩振动模式原理图Fig.2　The principle diagram of the thickness of the piezoelectric transducer stretching vibration mode

超声波在不同声阻抗介质传播时会发生声反射， 导致超声波不能正常传播. 当超声换能器在水中工作时， 由于压电陶瓷与水介质声阻抗相差悬殊， 因此需要在压电陶瓷前设置阻抗匹配材料， 以保证发射换能器发出的超声波能顺利进入水中， 到达接收换能器. 阻抗匹配材料通常按式(2)选用[1]

(2)

式中：zp为匹配材料的特性阻抗；z0为压电陶瓷材料的特性阻抗；z1为水介质的特性阻抗.

1.2主要技术指标

超声检测换能器的主要基础技术指标为[5]：

1) 机电转换系数n

机电转换系数是指换能器在机电转换过程中转换后的力学量(或电学量)与转化前的电学量(或力学量)之比.

2) 工作频率

发射换能器的工作频率应等于它自身的谐振基频， 这样可以获得最佳工作状态、 取得最大的发射声功率和接收效率. 主动式超声换能器处于接收状态下的工作频率是与发射状态下的工作频率近似相等的.

3) 品质因数Q

品质因数Q通常由电路系统的品质因数Qe和机械系统的品质因数Qm来描述. 换能器Q值与其工作频带宽度和传输能量的效率有密切关系，Q值大小不仅与换能器的材料、 结构、 机械损耗等有关， 还与辐射声阻抗有关. 同一换能器处于不同介质中其Q值是不同的.

4) 阻抗特性

压电换能器作为一机电4端网络， 具有一定的特性阻抗和传输常数. 如等效电阻抗、 等效机械阻抗、 静态和动态阻抗、 辐射阻抗等.

5) 发射声功率

发射声功率是描述一个发射换能器在单位时间里向介质声场辐射声能多少的物理量， 换能器的发射声功率一般是随工作频率变化的， 在与其机械谐振频率相同时可以获得最大的发射声功率.

6) 接收灵敏度

接收换能器的灵敏度分为自由场电压灵敏度和电流灵敏度两种. 自由场电压(电流)灵敏度Mu(ω)[Mi(ω)]是指接收换能器的输出电压(电流)与在声场中引入换能器之前该点的自由声场声压的比值.

7) 频率特性

频率特性是换能器的一些重要参数随工作频率变化的特性. 如发射换能器的发射功率和效率随工作频率变化、 接收换能器的接收灵敏度随工作频率变化的特性.

8) 等效噪声电压

接收换能器内的压电陶瓷在一定温度下由内部分子热运动而产生的噪声电压.

上述这些指标的检测大多比较复杂， 检测成本也高， 不适合在制造过程中作为性能控制指标使用， 因此需要寻找能综合反映换能器性能的综合技术指标进行研究和构建.

2换能器综合性能指标构建

超声水表换能器综合性能指标的建立需要从水表整体技术性能要求出发， 以能满足超声水表长期正常工作、 且达到一定测量准确度要求为前提. 根据超声水表工作原理分析可知， 换能器应该符合发射中心频率和发射声功率稳定、 接收输出电压幅值满足整机信号处理要求、 输出电压幅值长期工作应稳定可靠等指标. 经大量使用实践证明， 超声水表换能器建立本文所述技术指标可以保证超声水表长期稳定工作， 并使测量过程不复杂、 测量成本较低廉.

综合性能指标的检测需要用到所谓的“标准”超声水表换能器. 这些标准换能器可以不要求技术指标达到某一具体准确值， 但要求指标值恒定且在规定的数值范围内.

将超声水表综合性能分为静态和动态指标两部分， 这样可以分别识别换能器在静止状态和工作状态时的综合性能.

2.1换能器老化试验

为使超声水表换能器长期稳定工作， 需要对换能器进行老化试验和筛选. 老化的目的是使换能器压电陶瓷材料的压电常数等参数经过高、 低温和电功率老化试验后处于基本恒定的状态， 同时消除因装配过程造成的内部应力集中， 使压电陶瓷材料粘接剂、 阻抗匹配与吸收等材料的性能稳定下来， 保证换能器长期稳定可靠工作. 老化试验会使超声水表换能器的发射声功率、 接收灵敏度等指标略有下降， 但换来的却是换能器的性能稳定与可靠. 老化试验与筛选对所有待检测和待装配的换能器而言是必不可少的.

通常， 采用高温、 低温与交变湿热等方法进行换能器气候环境老化[6]. 高温老化温度不宜超过压电材料居里温度的2/5， 持续时间在 1 h左右； 高、 低温试验时间不能太长， 次数不能太多.

电功率老化可以采用连续脉冲波或正弦波对换能器进行过载激励， 过载激励值应超过额定值， 但在极限值范围内， 电功率老化时间一般为数小时.

2.2标准换能器筛选

由于超声水表采用收、 发共用换能器工作模式， 因此在激励电功率、 工作频率基本恒定和换能器结构确定(即固有频率和指向性确定)等条件下， 通过任选一个工作正常的换能器作为发射换能器去检测成批接收换能器， 然后从成批接收换能器中挑出性能最为稳定、 数值较为适中的某几个换能器用作标准发射换能器使用. 换能器的发射特性可以通过检测其接收特性而间接获得. 在一定条件下标准发射换能器也可作为标准接收换能器使用， 对实际使用而言， 其差异不会很大[7].

标准换能器的筛选， 通常是在正常生产过程中对老化处理后的成批换能器产品采用“多次筛选优化法”来实施的.

2.3换能器综合静态特性

综合静态特性可以分为换能器的静态电容和绝缘电阻等两项技术指标.

1) 静态电容

超声换能器在未激励振动条件下， 它的等效电路是纯电容C0和损耗电阻Rn的并联； 当换能器受激声辐射或接收声能量时， 还存在着动态阻抗， 动态阻抗可以用电阻、 电感和电容来表示， 见图 3. 图中R1，C1，L1分别为动态阻抗中的电阻、 电容和电感.

图 3　压电换能器在谐振频率附近工作时等效电路Fig.3　Piezoelectric transducer working near the resonant frequency equivalent circuit

静态电容C0反映了换能器中压电陶瓷在未受超声辐射和脉冲激励时两电极间的电容量， 其值大小与压电陶瓷的直径、 厚度、 以及介电常数等有关； 损耗电阻Rn是由压电陶瓷介质损耗引起的. 根据换能器压电陶瓷规格不同， 超声水表换能器的静态电容量一般在数百皮法至数千皮法之间， 可用普通准确度的电容表测量其数值. 一批换能器的静态电容值应在设计规定的公差范围内.

2) 绝缘电阻

换能器静态时相当于一个电容器， 电容器的绝缘电阻主要是由介质漏电、 周围环境湿度和杂质等因素构成. 换能器是高阻器件， 输出的是电荷量， 因此环境湿度、 自身绝缘状况、 压电陶瓷材料性能等对其正常工作影响极大， 为此要求换能器静态时两导线间的绝缘电阻值应趋于无穷大. 通常， 可以用测量上限大于1×109Ω的高阻欧姆表进行测量.

2.4换能器综合动态特性

综合动态特性可以分为换能器的工作频率、 接收换能器输出电压、 接收换能器输出电压重复性、 接收换能器输出电压稳定性和寿命试验等5项技术指标.

1) 工作频率

从发射效率考虑， 同时兼顾接收特性， 超声水表换能器通常应工作在串联谐振状态. 因此可以将串联谐振频率fs作为其工作频率f0使用， 见式(3).

(3)

式中：C1，L2为换能器动态电容和电感.

工作频率应该长期处在稳定状态， 它随时间和温度的变化量应控制在较小范围内， 否则将会影响换能器的发射效率和接收灵敏度. 工作频率可以用专用阻抗测量仪测量， 也可用图 4 方法进行测量.

2) 接收换能器输出电压幅值

在超声波作用下， 接收换能器输出电压幅值大小对超声水表能否正常工作关系密切. 换能器的输出幅值会随测量管的公称通径增加(即测量距离增加)而减少， 因此换能器输出电压幅值应在规定范围内， 不能太低， 需要通过筛选进行配对工作.

图 4　压电换能器工作频率测量原理图Fig.4　Piezoelectric transducer working frequency measuring principle diagram

图 5　超声水表接收换能器输出电压波形示意图Fig.5　Ultrasonic water meter receiving transducer output voltage waveform diagram

接收换能器输出电压幅值越高， 超声水表工作时的信噪比就越高， 噪声干扰影响程度就越低， 信号处理就越可靠， 见图 5. 通常， 测量阈值电平既要大于噪声电平， 又要兼顾输出信号电压受温度、 时间等因素下降所导致的测量阈值电平相交于下一波峰， 造成Stop点后移， 使超声波测量时间发生很大波动的风险.

接收换能器输出电压可以在专用装置上进行测量， 在标准发射换能器和标准发射脉冲电路配合下， 采用高灵敏度数字示波器进行观测和测量.

3) 接收换能器输出电压幅值重复性

在标准换能器和标准信号发生器配合下， 对换能器的输出电压进行短时间多次重复测量(一般为5～10次)， 其输出电压的重复性应在规定范围内. 重复性计算可以采用实验标准差法， 见下式和下表.

实验标准差法计算公式如式(4)

(4)

4) 接收换能器输出电压幅值稳定性(型式试验项目)

接收换能器输出电压值不仅要适中， 而且应长期稳定， 这是对超声水表换能器的基本要求. 输出电压稳定性主要是指温度改变与时间进程导致换能器输出电压发生变化的程度. 实验证明， 由PZT类压电陶瓷材料构成的超声换能器， 其输出电压幅值随温度影响的变化在0～50 ℃范围内的变化量约为10%左右， 而且变化规律强， 容易补偿. 而输出电压随时间进程的影响则会因压电陶瓷材料及粘结、 阻抗、 吸收等材料中某些参数改变而逐步发生衰减， 每个换能器的衰减速率都会不一样， 个别换能器甚至会在使用生命期内出现失效， 对于这种时间进程引起的稳定性是需要高度重视的.

输出电压值的较大变化或衰减， 均会导致超声水表内精密计时单元计时结束时间点(Stop点)发生一定量的偏移， 造成时间测量误差增加.

输出电压稳定性指标是在针对某种结构换能器的大量可靠性和寿命试验基础上， 同时根据超声水表信号处理部分对换能器的匹配需要提出的. 实践证明， 经过老化试验后的一批换能器， 经过2至3次的分时测量， 可以基本确定换能器是否符合稳定性指标的要求. 两次测量间隔时间通常为24 h以上， 以1～2月试验时间为界； 试验过程中， 换能器输出幅值随时间进程的衰减量应在规定的范围内.

稳定性试验采用几个测量时段的输出幅值均值的相对变动性来评价.

5) 寿命试验(型式试验项目)

该项目主要是验证超声水表换能器的有效使用寿命. 采用电功率老化相似的方法对换能器进行寿命试验， 在激励信号极限值附近对换能器进行连续的脉冲波或正弦波激励， 连续工作时间为1～2月， 实验结束后换能器应正常工作， 其输出幅值不应超出规定的范围.

3试验方法与试验结果

1) 综合指标的试验方法与装置

除了综合静态特性指标可以在空气中进行测量外， 超声水表换能器综合动态特性指标的检测与试验需要在水的负载中进行[8]， 测量装置见图 6. 换能器工作频率、 接收换能器输出电压幅值和输出电压幅值重复性指标是工序检测项目， 接收换能器输出电压稳定性和寿命试验指标为型式试验项目， 上述所有检测和试验项目均可在图6试验装置上进行.

图 6　超声水表换能器检测及试验装置示意图Fig.6　Ultrasonic water meter transducer testing and test equipment

2) 测量结果与整机性能的关联性

接收换能器输出幅值大小与超声水表能否正常工作密切相关[9]. 不同输出幅值的换能器， 需要通过筛选、 分档后进行配对工作. 表 1 是相同规格、 相同测量距离条件下， 超声换能器的分档与配对举例. 要求编号为A，B，C的换能器分别与相同编号的换能器配对使用(如Ai与Ai，Bi与Bi，Ci与Ci配对，i=1，2，…，n； 配对时， 每一对换能器的输出幅值应尽量接近).

表 1　超声换能器分档与配对举例性能

接收换能器输出幅值重复性指标与超声水表短期工作稳定性与可靠性密切相关. 输出幅值重复性不好的换能器是导致超声水表整机示值误差和测量重复性指标超差的主要原因之一[10]. 表 2 是超声水表换能器输出幅值重复性指标的测量结果. 通常情况下， 当输出幅值重复性指标相对值小于5%以内时， 对整机示值误差和测量重复性的影响可忽略不计.

接收换能器输出幅值稳定性指标与超声水表长期工作稳定性与可靠性密切相关. 输出幅值稳定性不好的换能器是导致超声水表整机示值误差和测量再现性指标超差的主要原因之一[10]. 表 3 是超声水表换能器输出幅值稳定性指标的测量结果. 通常情况下， 当输出幅值稳定性指标变化小于5%以内时， 对整机示值误差和测量再现性的影响可忽略不计.

表 2　 超声水表换能器输出幅值重复性指标测量结果

表 3　超声水表换能器输出幅值稳定性指标测量结果

4结语

超声水表换能器综合性能指标的检测与试验是智能水表生产制造过程中的重要环节， 如果不能事前控制好换能器质量， 就无法保证超声水表产品的整机质量.

换能器长期工作稳定性与可靠性指标的建立， 需要大量的实验、 分析与论证， 需要有基础数据作支撑. 然而， 这方面工作我国尚处在起步阶段， 积累的数据和经验还远远不够， 需要有关各相关方的不断努力和探索.

上述超声水表换能器的静态综合指标和动态综合指标的建立与实施， 已为数千台超声水表的产品质量提供了有效的保障， 也为制订我国机械行业标准《超声水表换能器》做好了前期的准备.

参考文献：

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YaoLing,WangRangding,ZuoFuqiang,etal.Theoperationlperformanceandevaluationindexreseaechoftheultrasonicwaterflowdetectiontransducer[J].ActaMetrologicaSinica, 2014, 35(2)： 151-156. (inChinese)

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YaoLing.Analysisandprocessingonmeasurementerrorsoftheultrasonicwatermeter[J].InstrumentationTachnology, 2015(5): 1-4. (inChinese)

The Exploration of Establishment Ultrasonic Water Meter Transducer Integrated Performance Index

YAO Ling, ZUO Fuqiang, WANG Xinxin

(Zhejiang Province Water meter Research Institute, Ningbo 315032, China)

Abstract:The basic technical indicators of ultrasonic transducer system have comparatively perfected, but the basic technical indicators of ultrasonic transducer cannot substitute The integrated performance indicator which can identify the performance characteristics in product manufacturing process .After a large number of experiments and research, Both the comprehensive static and dynamic index of the ultrasonic water transducer were put forward ,which can be used in the manufacturing process and quality control, and can basically meet the process of ultrasonic water meter transducer to detect and type testing requirements, also do prepare for drafting of the standards.

Key words:ultrasonic water meter； ultrasonic transducer； transducer integrated performance index; transducer procedure testing; transducer type test

文章编号:1671-7449(2016)03-0260-07

收稿日期:2015-11-28

基金项目：浙江省优先主题重点工业资助项目(2010C11025)； 宁波市重大科研攻关资助项目(2009B10003)

作者简介：姚灵(1953-)， 男， 教授级高级工程师， 主要从事几何量精密仪器和水流量测量仪表的研究与开发.

中图分类号:TB937

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.014