基于微机械压电超声波换能器的流量计及渡越时间测量装置的制作方法

本发明涉及到的是一种基于微机械压电超声波换能器的流量计及渡越时间测量装置。

背景技术：

超声波是一种振动频率高于20khz的机械波。超声波换能器的工作过程就是电压和超声波之间的互相转换过程，当超声波换能器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当超声波换能器接收超声波时，接收超声波的探头将超声波转化的电压回送到微控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小且方向性好等优点。利用超声波测量流量的优点有：可以实现非接触式测量，同时量程大、无压损、无阻流部件，且可以双向测量。传统超声波换能器体积庞大、功耗高、不利于集成，微机械压电超声波换能器则很好地解决了这些问题。流量计的关键组件是其中的渡越时间测量装置，通过测量超声波在流体中的顺流渡越时间和逆流渡越时间，即可通过传统的时差法测得流体速度和流量。因此，如何将微机械压电超声波换能器应用于流量计的渡越时间测量装置中，是一个亟待解决的技术问题。本发明中利用了微机械压电超声波换能器阵列发射和接收超声波脉冲，并依据目前常用的时差法测得流体速度。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有的流量计存在的体积大、难以集成等问题，并提供一种基于微机械压电超声波换能器的流量计及渡越时间测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于微机械压电超声波换能器的流量计渡越时间测量装置，它包括安装于待测管道侧壁上的超声波发射模块与超声波接收模块，超声波发射模块与超声波接收模块相互独立，且沿管道径向斜对安装，两者之间由待测流体隔开；所述超声波发射模块与超声波接收模块均采用微机械压电超声波换能器阵列模块，所述超声波换能器阵列模块底部为基底层，基底层上设有换能器单元，换能器单元从下到上由底电极、压电层和上电极逐层叠加而成，底电极和上电极分别通过连接线与不同的接线端相连。

作为优选，所述的超声波换能器阵列模块中，所述换能器单元有多个，且在基底层上呈矩形阵列排布，各换能器单元以并联的方式连接于接线端上。

进一步的，所述的矩形阵列为10×10矩形阵列。

作为优选，上电极和底电极的材料为钼；压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；连接线的材料为铝；基底层的材料为硅。

进一步的，所述的微机械压电超声波换能器阵列模块的谐振频率为980khz，-3db带宽＞20khz。

作为优选，所述的超声波发射模块与超声波接收模块均通过接线端连接外部信号激励源以及超声波渡越时间评估板。

作为优选，所述的超声波发射模块与超声波接收模块尺寸较小，尺寸均仅为3.5×3.5mm²。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一方案所述渡越时间测量装置的流量计，除了上述渡越时间测量装置外，该流量计中还设有数据处理模块，所述的数据处理模块接收超声波发射模块与超声波接收模块测量得到的顺流渡越时间和逆流渡越时间，并根据时差法计算待测管道内的流体流速与流量。

作为优选，所述的超声波发射模块与超声波接收模块均可以发射和接收超声波。

作为优选，所述的超声波发射模块与超声波接收模块先后沿着流体的顺流方向和逆流方向分别互相发射与接收超声波脉冲，从而获得超声波的顺流渡越时间和逆流渡越时间。

作为优选，所述的换能器单元有多个时，在计算发射声波和接收声波的渡越时间之前，需先对超声波接收模块接收到的超声波信号进行电荷放大。

本发明中流量计渡越时间测量装置的超声波发射模块与超声波接收模块，径向斜对安装在管道两端，由被测流体隔开，能够先后沿着流体的顺流方向和逆流方向分别互相发射与接收超声波脉冲，测量超声波顺逆流传播的渡越时间，用于计算流体流速和流量。超声波发射模块与超声波接收模块体积较小，可分别在小管径的管道中发射与接收超声波，实现小管径或弯曲管道等复杂环境中测量流体流速。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

图1是基于微机械压电超声波换能器的流量计渡越时间测量装置示意图；

图2是10×10微机械压电超声波换能器阵列示意图；

图3是基于微机械压电超声波换能器的流量计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。本发明中涉及的器件，除非特殊说明，否则均可采用市售的现有产品。

如图1所示，本发明中的基于微机械压电超声波换能器的流量计渡越时间测量装置，其主要结构包括安装于待测管道侧壁上的超声波发射模块与超声波接收模块，超声波发射模块与超声波接收模块在空间上相互独立。两个模块沿管道径向斜对安装，其中心均位于管道径向的一个对称纵剖面上。两个模块分别接入待测管道，且两者之间由待测流体隔开，超声波发射模块t1与超声波接收模块t2均可以发射和接收超声波，一个模块发射时另一个模块将作为接收，因此其功能并非绝对的。其中超声波发射模块t1沿着流体顺流方向发射超声波，同时能够接收超声波接收模块t2沿着流体逆流方向发射的超声波；超声波接收模块t2沿着流体逆流方向发射超声波，同时能够接收超声波发射模块t1沿着流体顺流方向发射的超声波。

超声波发射模块与超声波接收模块的结构形式相同，均采用微机械压电超声波换能器阵列模块。如图2所示，该超声波换能器阵列模块底部为基底层05，基底层05上设有100个换能器单元，100个换能器单元在基底上表面呈10×10的均匀矩形阵列排布。每个换能器单元从下到上由底电极03、压电层02和上电极01逐层叠加而成，底电极03和上电极01分别通过连接线04与不同的接线端相连。本实施例中，各换能器单元是以并联的方式连接于接线端上的。同一模块上，所有单元的上电极01均连接一个接线端，所有单元的底电极03均连接另一个接线端。由于两个模块均需要发射和接收超声波，因此两个模块均通过接线端连接外部信号激励模块以及超声波渡越时间评估板。超声波发射模块通过接线端连接外部信号激励模块，对各换能器单元施加激励信号，而超声波接收模块通过接线端向外输出接收到的信号在超声波渡越时间评估板中测得本次的渡越时间。超声波渡越时间评估板可以采用任何能够实现渡越时间测得的设备，本实施例中型号为德州仪器ti，tdc1000-tdc7200evm。

另外，在本实施例的微机械压电超声波换能器阵列模块中，上电极01的材料为钼，直径为196μm，厚度为0.2μm；压电层02的材料为氮化铝，直径为200μm，厚度为1μm；底电极03的材料也为钼，直径为200μm，厚度为0.2μm；连接线04的材料为铝，厚度为1μm；基底05的材料为硅，厚度为5μm。该微机械压电超声波换能器阵列模块的谐振频率为980khz，-3db带宽＞20khz，可以发射频率在980±10khz内的超声波。阵列模块的尺寸均仅为3.5×3.5mm²。

该测距装置在使用时，将换能器单元呈10×10矩阵形式组合而成作为超声信号的发射模块和接收模块，而不是依靠单独一个单元，这样可以提高发射信号和接收信号的强度。10×10个单元通过并联的方式连接，从而减小驱动、检测电路的复杂度。另外，换能器单元有多个时，在计算发射声波和接收声波的渡越时间之前，可先对超声波接收模块接收到的超声波信号进行电荷放大。

利用上述基于微机械压电超声波换能器的流量计渡越时间测量装置的流量测量步骤如下：

步骤一、利用所述超声波发射模块t1沿流体顺流方向发射超声波脉冲，然后利用超声波接收模块t2接收超声波脉冲，并记录此时的顺流渡越时间t12；

步骤二、利用超声波发射模块t2沿流体逆流方向发射超声波脉冲，然后利用超声波接收模块t1接收超声波脉冲，并记录此时的逆流渡越时间t21；

步骤三、利用步骤一与步骤二测得的顺流渡越时间t12和逆流渡越时间t21之差，基于时差法计算所测流体流速与流量。

图1是基于时差法的测量原理图，下面简单叙述其测量原理。超声波传播方向与流体流动方向相同时(顺流)，传播速度会加快，相应的传播时间会变短；而当超声波的传播方向与流体流动方向相反时(逆流)，其传播速度会变慢，相应的传播时间也会变长，通过测量超声波在顺流状态和逆流状态下的传播渡越时间可计算得流体流速。

超声波在流体中的顺流渡越时间为：

超声波在流体中的逆流渡越时间为：

其中l为声道长度，c为超声波的传播速度，θ为声道与管道轴向夹角，t12为顺流渡越时间，t21为逆流渡越时间，v为流体流速。

顺流与逆流渡越时间差为：

通常在进行气体流量测量时，存在c>>v，因此顺流与逆流渡越时间差计算公式可以简化为：

而流体流速就可以通过以下公式计算得出：

由此可见，上述基于微机械压电超声波换能器的流量计渡越时间测量装置实际上是一个流量传感器，它能够获取管道内用于计算流量的顺流与逆流渡越时间，但其要实现流量计功能仍需要根据这些数据进一步进行计算。这种计算可以是人工计算，也可以通过若干功能模块进行实现。图3展示了一种通过其他模块辅助实现流量计的形式。在该流量计中，包括信号激励模块20、发射/接收模块21和发射/接收模块22以及数据处理模块23，各模块可以通过能够实现其功能的电路、电子元件、软件等进行实现，不做限定。其中，发射/接收模块21、发射/接收模块22均采用图2所示的微机械压电超声波换能器阵列模块，流量计的结构部分如图1所示，即发射/接收模块21、发射/接收模块22的安装形式完全按照超声波发射模块t1、超声波接收模块t2的形式。而信号激励模块20则作为激励源连接发射/接收模块21和发射/接收模块22的接线端。发射/接收模块21和发射/接收模块22接收到的信号经过超声波渡越时间评估板后，获得顺流、逆流渡越时间，然后输送至信号输入数据处理模块中，计算待测流体的流速。其具体过程如下：

步骤20：通过信号激励模块20向超声波发射/接收模块21提供超声波脉冲激励信号。

步骤21：由超声波发射/接收模块21沿被测流体顺流方向发射上述激励信号，由超声波发射/接收模块22接收穿透待测流体的超声波信号，并记录顺流渡越时间t12。

步骤22：通过信号激励模块20向超声波发射/接收模块22提供超声波脉冲激励信号。

步骤23：由超声波发射/接收模块22沿被测流体逆流方向发射上述激励信号，由超声波发射/接收模块21接收穿透待测流体的超声波信号，并记录逆流渡越时间t21。

步骤24：在步骤23获取顺流逆流渡越时间的基础上，计算渡越时间差δt，然后再数据处理模块23中进行按照时差法的计算公式进行数据处理，得出流体流速，根据流量以及管道直径φd，即可得到管内流量。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。