流量计超声换能器
超声换能器是一种电声转换器件，它的核心是压电元件，由PZT(错社酸铅)、PVDF(聚偏撅乙烯)等压电材料制成。表4.7a是压电材料的物理特性。 表4. 7b是压电材料的一些物理常数。
设计压电元件时的技术要求有以下几点。
①表面应平整、无缺损、色泽均匀，无电击痕迹。
②材料的厚向祸合系数要高，压电常数d、g高，机械品质因数和介电系数大小适当。
③频率高低应考虑到被测介质、管径、仪表技术性能的要求。
④给出外形尺寸和电极样式。一般来说，压电元件均是向元件制造厂定制的。
用于测量液体流量的超声换能器，其工作频率在0.5^ 5MHz, PZT压电薄片(圆片、半圆片、方形、矩形)换能器是常用的，它的频率由下式确定
一个1MHz的PZT压电圆片，直径在10-30mm，厚约2mm;1.5MHz的直径在15mm左
右，厚约1.3mm。压电圆片换能器有三种基本结构，如图4.5所示。图4.5(a)所示是两端
空气介质的圆片换能器(适用于气体介质)，若在声辐射面加上一个1/4波长厚度的匹配层(或称匹配器)就可以有效地提高发射和接收效率。双层匹配效果会更好。匹配层采用低密度、低
声速的高分子材料制成，如氟塑料、聚乙烯等。图4.5(b)所示是常用于液体介质的超声换能器，一端与液体接触辐射声波，另一端用于输入(出)电信号。若前后端设置匹配层，也可以有效地提高电声转换效率和扩展频带宽度图4.5(c)所示是一种带声导体的超声换能器，适用于液体介质(尤其是高温介质等场合)。它的一端固体(声导体)接触，另一端为电的输入(出)口。这种换能器需要通过耦合介质(油脂、甘油、硅脂等)与声导体实现声耦合，甚至直接将它们焊在一起.图4.6所示是几种实用超声流量传感器的结构示意图，适用于不同种类的超声流量传感器。超声换能器的结构设计上应慎重考虑如下几个问题。
①足够的灵敏度和合适的声束指向性。
②信号波形畸变小、无杂波，对于脉冲信号前沿要陡峭为佳。
③密封性好。
④耐环境腐蚀、振动、温度等。
⑤足够的机械强度。
⑥安装方便等。
用于气体的超声换能器工作颇率比较低，一般在40-200kHz。明渠超声流量计所用的超声换能器多数在60kHz左右。超声换能器的振动模式、计算公式和结构较为复杂，对于匹配器要求也高。此类超声换能器，除压电圈片、短圆柱换能器外，还有弯曲式、夹心式，以及管状超声换能器，其中以夹心式换能器最为重要，如图4.7所示。它的前盖板是铝合金或钛合金，后盖板通常为钢或黄铜，中间为环形压电元件以偶数叠合，相邻两片的极性相反，电极片间相关联。三者用预应力螺杆夹紧。设计者请参阅本章所列文献中的[4.6]和[4.7]。
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