基于单片机的超声波流量计(共49页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机的超声波流量计的设计摘要：超生波的流量检测是根据超声波在流动的流体中传播的过程中会载有流体的流速信息这一原理，通过简便、可靠的信号处理方法，把这个流速信息转换成流量信息。本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量检测技术的基础上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件的设计思想。超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被水利、电力、冶金、选矿、选煤等部门广泛应用,经常需要精确计量和控制液体的流速和流量。测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表，它是工业测量中重要的仪表之一。超声波流量计与以往传统的流量计相比，具有很多优点，是一种非常理想的节能型流量计。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。本设计以单片机AT89S51为主控芯片，通过对超声波的深入研究，利用时差法实现了对流量的测量，另外本设计通过对系统软硬件的合理设计，提高了系统的精度及系统稳定性。关键字：单片机，AT89S51，超声波，流量计，时差法Ultrasonic flow meter based on the design of single chipAbstract：The ultrasonic flow measurement technologys operating theory is that when ultrasonic pass the liquid, it carries out the signal reflecting the liquids flow velocity, and then, the signal will be used to compute the flow. The paper introduces basic principle and realizing method of the ultrasonic flow measurement technology. On basis of absorbing and referring to the domestic and foreign advanced ultrasonic flow measurement technology, the system hardware is designed and the idea of the system software is given. Ultrasonic flow meter has been widely used in waterworks, electricity, metallurgy and mineral processing in virtue of its many advantages, such as non-contact, wide measurement scope, convenience of installation, especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment. It often requires precise measurement and control of liquid flow rate and flow. Measurement of fluid flow meter or instrument referred to as flow meter, which is an important instrument of industrial measurement one. Ultrasonic flow meter, compared with previous conventional flow meter has many advantages, is an ideal energy-saving flow meter. Application of more current measurement ultrasonic flow meter are time difference, the Doppler effect method, correlation, noise method, the beam offset law, including the most common application of time difference. The design for the main chip microcontroller AT89S51, through in-depth study of ultrasound, the use of transit-time flow measurement realized, while the design of the system through the rational design of hardware and software to improve the system accuracy and system stability.Keywords: microcontroller, AT89S51, ultrasonic, flow meter, transit-time目录专心-专注-专业1 绪 论1.1 选题依据及研究意义流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是再生能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。流量测量技术和仪表类型繁多，测量对象复杂多样，决定了流量测量仪表在应用技术上的复杂性。它与传统意义上度量衡计量器具的应用有很大差别，它不是简单地将流量计安装好，开表投运就一定能达到测量目的。有两位专家对现场装用着的千余台流量仪表进行调查，发现约有60%所选择的测量方法不是最合适或不正确的，其余的40%中，约有一半虽然测量方法合适，却存在现场布置和安装的不合理现象，这些不合适、不正确和不合理，带来了相应地测量误差。因此，流量测量是一种强烈依赖于使用条件的测量，在实验室，流量计可以得到极高地精确度，但是在使用现场，一旦流体条件或环境条件有大的变化，不仅精确度无法保证，甚至无法进行正常测量。超声波流量计的产生就避免了这很多问题，对流量测量有着深远的影响和重大意义。目前，发达国家的超声波多普勒流量计发展较快，主要体现在微机软件的开发应用、测量技术的提高和综合技术应用等方面。以美国Controlotron公司和Ploysonics公司为代表的产品较多的用数字信号处理技术，如“同步调制”和FFT技术，他们广泛的采用以DSP为核心的数字处理电路，从而能够更实时的处理超声波信号，同时能够实现一些复杂的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是该公司的新一代全数字化便携式多普勒流量计，它采用了数字滤波和数字频谱分析技术，能自动识别多普勒信号与噪声信号，抗干扰能力强，采用了高分辨率的液晶显示，可以现场对信号进行多普勒分析。仪表的整体性能在不断提高，应用范围也在不断扩大，在储存、显示和输出等方面也有新的发展。在国内，超声波多普勒流量测量近年来无论是在数学模型还是在信号处理方法上都取得了一定的进展，但总的来说这些进展主要局限于医学领域，工业超声波多普勒管道流量测量的研究水平不高，导致现有工业管道用超声波多普勒流量计的性能普遍不高，相比较时差式超声波流量计、质量流量计、电磁流量计等其它流量计而言精度比较低。这些缺点极大限制了超声波多普勒流量计的推广和使用。目前，超声波多普勒量计一般只在一些特殊场合下使用，比如便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等。一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其它发达国家相比还存在距离。但是，我国的科研人员能够克服很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是趋势。时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得超短时间的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。1.2 超声波的概述1.2.1 超声波的相关概念我们生活的世界充满了各种声信号，人们可听到的声音频率为20Hz一20KHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波；频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波，或称超声。声波的速度越高，越与光学的某些特性如反射定律、折射定律相似。超声波是一种机械波，它方向性好、穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。超声波用于流体和气体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化等。超声波在媒质中的反射、折射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同，一般分为横波、纵波和表面波。质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播；质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波，它只能在固体中传播；质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波，表面波只在固体地表面传播。1.2.2 超声波的研究发展和应用超声波的研究和发展与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测量，其测量范围对大多数液相介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径从小于1厘米到几米，工作温度从低温（如液态氧、液化天然气）到上千度的高温，允许工作压力从接近真空到几百个大气压，其响应时间从几个毫秒（引擎控制）到24小时（监控管道流量），在医学上可以测量血管流量，还可以用于江河流量和敞开水道流量的测量。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(paulLangevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电藕合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。1.3 流量计概述1.3.1 流量的定义流量是工业生产过程中需要进行调节和控制的一项重要的物理参数。它对提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、合理利用能源和节约能源具有重大的意义。因此，对流量的测量越来越受到重视。在流体的流动中，具有某一定面积的截面，把流过该截面的体积或质量与时间之比称为流量。用流体流过的体积与时间之比来表示流量时，称为体积流量(或容积流量)。用流体流过的质量与时间之比来表示流量时，称为质量流量。这种单位时间内的流量叫做瞬时流量，任意时间内的累计体积或累计质量的总和称为累计流量，也叫总流量。流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。本课题所述超声波流量计由其工作原理可知它是测量单位时间内流过截面体积的流量计，故属于体积流量计范畴。1.3.2 超声波流量计的原理与分类超声波流量计按测量原理来分，可以具有多种不同的形式。依据的原理有：传播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪声法、漩涡法、相关法等。(1)传播速度差法根据超声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，从而求出流速的方法即为传播速度差法。按照所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差法、相位差法和频差法。1)时差法时差法测量原理如图1.1所示。该测量方法是将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如静止流体中声速为c，流体的流速为甜，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为(c+u)，而声波传播方向与流动方向相反时，其传播速度为(c-u)。 L T1 c+u R1 u R2 c-u T2 图1.1 时差法原理如果距离为L的两处放两组超声波发生器与接收器(T1、Rl、T2、R2)，则当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，分别到达R1和R2的时间为: t1= (1)t2= (2)由于u2<<c2,所以： (3)得到流体流速为： u = (4)由此可见，当声速一定时，只要测出t，就可以求得流体流速u。2)相位差法相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系： (5)通过测量顺、逆两个方向接收波的相位差来实现流体流u的测量，这里f为超声波的发射频率。3)频差法频差法是由顺流发射的一组超声波发射器和接收器T1和R1及另一组逆流的T2、R2各自组成发射一接收的闭路循环系统，其发射接收的循环频率分别为： (6) (7)二者差值为： (8)可得： (9)由此，可通过测量一定时间内两组闭路循环系统中的循环频率之差来测得流速。(2)波速偏移法超声波束在流体的流动影响下，其波束的方向会发生偏移。在超声波束与流动方向垂直时，这一偏移更是明显，所以利用波束偏移法进行测量的超声流量计均在垂直流速方向上发射超声波。超声波束方向的偏移，是以接收换能器所接收的波束强度的差值变化来反映的。当流体静止时，接收器R1和R2的信号强度相等，只是强度差值为0；当流体运动速度为u时，超声波束的方向为原发射方向与流动方向的合成，即声速c与流u两矢量的合成方向，该方向与原发射方向有偏移角，则： (10)此时，R1与R2的信号强度就有了差值，而且值越大，这一差值就越大。因此，流速的大小最终通过R1与R2的接收信号的强度差值得到反映。(3)多普勒法多普勒超声流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的。多普勒效应可以表述为：当发射器和接收器之问有相对运动时，接收器的接收声频率与发射器的声频率之差跟两者之间的相对速度成正比(4)噪声法噪声法是一种对信号仅仅进行接受的无源方法一般而言，当液体在管道内流动时，在流体中会产生紊流或涡流等，由于液体的剪切作用，在一定的频率范围内产生声波或超声波，此时产生的噪声的强度与流速成比例，通过噪声的检测可以得出流体的流速由于在一般的现场低频振动和电噪声很强，因而信嗓比很低，通常使用通滤波器来消除低频的影响，可在高频范围内不受干扰地进行测量。(5)漩涡法利用流体运动时所产生的漩涡来进行测量的方法称为漩涡法。换能器将一束连续等幅的超声波信号发射至被测流体，当超声波束穿过流体达到接收换能器时，会由于流体的运动而使信号发生改变。流体静止时，流体中无漩涡，接受其接收到的仍是等幅超声波；当流体运动时所产生的漩涡运动速度几乎与流体运动速度相等，超生波束穿过每个漩涡时，由于漩涡对声波的折射和反射都使接收器接收到的信号幅度被调制一次，只要能获得强漩涡，并在一个较宽的流速范围内漩涡稳定，即可根据调制频率而获得流速。(6)相关法多数流体在管道内的流动是以相关方式运动的紊流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的截面上观察它们的陶冬，可知流速剖面之问存在着相关性，相关度是随着间距的减小而增加。1.3.3 流量的测量仪器目前已投入使用的流量计超过了100种，这些流量测量仪表已成为过程控制与检测仪表中的重要部分。根据现代设备、现代控制及生产现场对流量检测技术的要求，流量测量方法可分为接触式与非接触式两大类。接触式测量时需要与被测液进行接触，于是难免受到流体冲击、腐蚀等影响，而且测量过程会破坏原来的流场，所以此方式逐渐被非接触式测量计所代替。非接触式流量测量是借助于超声波、射线、激光等发展起来的流量测量新技术，它通过安装在渠道两侧的检测装置来间接感知信号。由于检测元件不与被测流体直接接触，所以克服了传统的接触法流量测量中存在的问题。它不但可以提高测量精度及仪表寿命，而且可以实现用一套测量装置来测量渠道系统多个部位的流量，因而是一种具有广泛发展与应用前景的先进的流量测量方法。为此，多年来，各国科技工作者运用超声、热、核磁共振、相关技术等物理现象对非接触测流量方法作了许多艰辛的探索，也有了很大的进步。其中应用最广的当属超声波流量计。相对于传统测量方法，它有如下特点：（1）采用非接触式测量，换能器安装在渠道外壁而不与被测流体直接接触，基本上不干扰流场无压力损失，是一种比较理想的仪表。（2）换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测量水、石油等一般导声流体外，还可用来测高温、高压、高粘度、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声流体。（3）通用性好，在可测范围内，同一台流量计可测任何不同的渠道。（4）无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。（5）安装维修方便，不需要专门的阀门等且不必中断流体流动，不影响生产。超声波流量计主要分为： 插入式超声流量计：可不停产安装和维护。采用陶瓷传感器，使用我公司专用钻孔装置进行不停产安装。一般为单声道测量，为了提高测量准确度，可选择三声道。 管段式超声流量计：需切开安装，但以后的维护可不停产。可选择单声道或三声道传感器。 外夹式超声流量计：能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂（室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂）安装，安装时不损坏管路。 便携式超声流量计：便携使用，内置可充电锂电池，适合移动测量，配接磁性传感器。它的优点是：1、非接触式测量方式、体积小、携带方便 2、适用于现场测量各种尺寸管道导声介质 3、内置工作时间达20小时以上 4、用户界面灵活，使用简单 5、智能型现场打印功能，保证流量数据的完整 6、配备一体式铝合金防护箱，可在野外恶劣环境中使用 手持式超声流量计：体积小，重量轻，内置可充电锂电池，手持使用，配接磁性传感器。 防爆型超声流量计：用于爆炸性环境液体流量测量，为防爆兼本安型。即转换器为防爆型，传感器为本质安全型。1.3.4 流量计的发展现状我国开展近代流量测量技术方面的工作较晚，早期所需流量计均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，20世纪50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计。20世纪60年代开始有了涡轮流量计和电磁流量计等本国产品。现在已形成一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业。从事流量仪表研究和生产的单位超过230家，向中国仪器仪表协会流量仪表专业协会注册登记的单位也有50余家，它们均是有相当规模或有一定特色的企业。我国1990年流量仪表产量（不包括家用燃气表和家用水表）估计超过25万台。流量计在国外的发展较快，几个工业发达国家均有相当数量的流量仪表生产厂家，有专业生产多品种的流量仪表的综合大型企业，也有专业生产品种单一性能独特的流量仪表小型企业，数量上以后者居多。目前美国有200余家，英国、德国和日本也均有50家以上，我国有250家以上。解决不同条件下各种不同被测介质的流量测量，至今已经发展了种类繁多的流量仪表，一般可分为如下10大类：1)差压式流量计2)浮子式流量计3)容积式流量计4)叶（涡）轮式流量计5)电磁流量计6)流体振荡式（包括涡街式）流量计7)超声流量计8)热式流量计9)科里奥利质量流量计10)明渠流量计近年来，随着时代的发展，传统流量测量仪表如差压式、浮子式、容积式流量计在市场上所占据的份额已经呈现下降趋势，而新颖的流量计如电磁式、涡轮式、超声波式流量测量仪所占比重正逐年增加。其中，应用最广泛的当属超声波流量计。超声波流量计是20世纪70年代随着IC（集成电路）技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有下列主要特点：（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以避免，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。（2）对介质几乎无要求。超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介质（主要是应用多普勒法）的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。（3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。（4）超声波流量计的测量范围度宽，一般可达到20：1。（5）可以直接给出被测流体的瞬时流量和累计流量，可以用模拟量和数字量输出。（6）除测量流速和流量外，与计算机联合使用，使其智能化后，可以进行各种管道、流体参数的设置，还可以自动地对流体的其他参数（如成分、浓度、速度剖面等）进行综合测量。1.4 本设计的设计目标及研究内容本设计旨在通过对超声波流量计的检测原理的分析，设计出相应的硬件和软件系统，以单片机为核心器件，结合超声波技术实现一台流量计的设计，最终实现目标如下：1.使系统能进行流体流量的测量；2.当流体流量超过测量范围时，具有报警功能；3.能对当前的流量值进行实时显示，当流量值无效时可以显示报警提示信息，如“ERR”；4.根据电路设计原理图进行EDA仿真，确保设计的合理性及正确性；5.根据设计开发流程撰写设计文档，层次明显，结构合理。为了实现本设计，需要对以下内容进行详细研究：1. 单片机最小系统2. 单片机按键电路及处理方式3. 单片机显示电路及处理方式4. 单片机中断机制及中断处理方式5. 超声波原理6. 超声波产生方式及接收方式的研究7. C语言的单片机开发方式8. 基于单片机的C语言开发环境Keil与单片机EDA仿真软件Proteus。2 超声波流量计的总体设计2.1 传感器概述及其特性 目前，传感器正处于蓬勃发展的时期，新技术和新产品不断涌现。在国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等方面都大量地采用各种各样的传感器。传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，它本质上是非电系统与电系统之间的接口。在非电量的电测量中，传感器是必不可少的转换元件。传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。传感器的输出信号通常是电压或电流，便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形式，输出信号的形式由传感器的原理确定。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。传感器的静态特性是指在被测量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。当只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化、是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。2.2 超声波换能器概述2.2.1 超声波换能器能量转换原理超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。在发射超声波的过程中，换能器将电能转化为机械能，再转化为声能，如图2.1所示： 电能机械能声能图2.1 发射超声波过程的能量转化在接收超声波的过程中，换能器将声能转化为机械能，再转化为电能，如图2.2所示： 声能机械能电能图2.2 接收超声波过程的能量转化2.2.2 超声波换能器的简介及主要性能指标换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的互相转换。用来发射声波的换能器称为发射器，用来接收超声波的换能器称为接受器。根据产生超声波的方法不同，目前常用的超声波换能器有两大类，即电声型与流体动力型。常用超声波换能器有压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁换能器以及电容式换能器等。它们产生超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不一样。目前比较常用的是压电超声波换能器。压电超声波换能器主要应用于常温下的检测。压电换能器属于超声波换能器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。它的特点是阻抗高且呈容性，还具有结构简单、可靠性高等特点。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声波换能器。换能器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，这是逆压电效应；当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，这是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者用于超声波的接收。超声波换能器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声波换能器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0 的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0 。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致，这样，超声波换能器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声波换能器。超声波换能器结构如图2.3所示：共振板电极压电晶片图2.3 超声波换能器结构图2.3 超声波换能器的选择及设计2.3.1 超声波换能器的主要参数 (1)中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz到2MHz。超声波的频率越高，声束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好，但是频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。(2)入射角这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被探头接收。(3)发射强度 由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度。 本设计中，选用了中心频率为40KHz的探头，入射角为45°。(4)工作温度工作温度是指能使换能器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。2.3.2 超声波换能器的安装方式及选择对于时差法超声波流量计来说，超声波换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式，如图2.4所示，分别为：平行式（a）、Z式(b)、V式(c)。 (a)(b)(c)图2.4 超声波换能器的三种安装方式平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的；Z型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用；而V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，因此，两个换能器安装在同一侧对测量的准确度有很大的帮助。本设计中选用了V型安装方式，在管道同侧安装了两套收发一体式超声波换能器，如图2.5所示。当T1发送超声波时，T2处于接收状态，信号从发送到接收时间标记为t1；当T2发送超声波时，T1处于接收状态，信号从发送到接收时间标记为t2。图2.5 V型安装方式时差法原理示意图当管道中流体以速度流动时，那么对于V型安装有： (1) (2) (3) (4) (5)由于(超声波波速)、（入射角度）和（管道直径）均已知,只要测出t1就可计算出速度和流量Q来。2.4 流量计总体设计框图根据程序及硬件设计可知，系统应由NE555输出40Khz的方波，方波由超声波发送电路发