1、第35卷第5期2001年5月Vol.35Nq5May2001西安交通大學學報JOURNALOFXI'ANJIAOTONGUNIVERSITY文章編號：0253487X(2001)05*045594超聲波多普勒流速測量方法的信息窗區域控制研究李昕1,王子延2（1.西安交通大學電氣工程學院，710049,西安；2.西安交通大學能源與動力工程學院）摘要：通過對超聲波多普勒信息窗區域的控制，實現了管流內部流速的分區測量.研制出的發射傳感君和接收傳感器，能夠分別產生細長的發射聲束和接收聲束，使信息窗區域面積能夠控制在很小的范圍內，位置也被控制在設計值處，滿足了分區測量的要求，設計的模擬管道流動裝

2、置，能夠提供管it流動截面上某一小區域上的流速，為分區測量提供了信號源.成功地進行了信息窩區域面積的控制和位置的實驗測量，測量值與設計值吻合得很好，關健伺：多普勒效應；超聲波傳感參;散射回波中圖分類號：R443文獻標識碼：AInvestigationonControllingtheAreaofInformationWindowbyDopplerUltrasonicMethodLiXin1,WangZiyan2(I.School&EtectricalEngineering,Xa'anJiaotongUniverity,Xian710049,lun»2.SchoolofE

3、nergyandPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniveraiiy)Abstract:AmethodtomeasureflowvelocityinaspecialregionbyoontrtlingtheinformationwindowofaDopplerultrasonicflowmeterispresented.Asetofemitterwhichslenderizetheacousticwavehasbeendesigned,andalsoasetofreceiverwhichselectthescatteredacousticwaveaccord

4、ingtothepositionofthescatteringpaniclehasbeendesigned.Inthiswaytheinformationwindowcanbepositionedinasmallareainadesiredposition.Experimentwasgonebymeasuringthevelocityofsmallbubblesandthemeasuredvalueisveryclosetothesetvalueofthebubbleemitter.Keywords：Dopplereffectultrasonicsensor；scattering-uxive當

5、超聲波聲源和反射界面或散射體之間存在相對運動時，被反射或被散射的超聲波信號的頻率將產生彎化，該頻率與聲源超聲波頻率之間的差值與相對運動的速度成正比.這一現象是物理學家ChristianDoppler于1842年首次發現的，被稱為多普勒效應【卜3.接收信號的頻率與聲源的原率之差稱為多普勒頻移.相應的頻差值號稱為多普勒信號.當流體中存在著可供反射或散射超聲波的跟隨粒子（例如植氣泡、固體粒子等）時,便可利用多普勒信號確定流體的速度與流量.圖la所示為傳統超聲波多普勒流量計流速測量的工作原理示意圖，發射換能器的發射區域與接收換能器的接收區域的重疊部分就是大面積信息窗區域，在此區域的散射粒子或微氣泡的流

6、動將會產生多普勒頻移.通過對此頻移信收稿日期：200006-07.作者簡介：李昕（1968-）,女，博士生;王子延（聯系人），男，教授，博士生導師.基金項目：國家自然科學基金資助項目（59676033）.號的采集和計算，就可以得到此區域中流體的平均流速和流量.在工業輸送管道的流蕾測量中，流動狀態可分為層流和紊流.層流狀態的流速以拋物線形分布，而紊流狀態的流速以對數形分布.傳統的超聲多普勒流量汁測量的結果是大面積區域內具有統計意義的平均流速，不能反映出流速分布的變化.當雷諾數變化很大時（例如由層流向紊流變化的過程中），流量的測量誤差就會增大.本文主要針對管流斷面上流速分布的不-致性,提出對超聲波

7、多普勒信息窗區域進行控制，使信息窗區域的面積被控制在相對小的范圍內，并且使信息窗區域分布在管流截面的不同位置上，如圖lb所示.通過測量信息窗1、2、3區域內的流速來獲得整個管流截面上的流量，這樣不僅可以提高多普勒流量計的測量精度，而且還可以得到整個管流截面上流速的分布狀況.該方法具有較高的創新性.1基本理論1.1聲壓強度傳播理論當半徑為a的圓形超聲波源置于無衰減的彈性介質中時，若其表面上每個質點都可看作是以相同振幅和相位作諧振動的點源，則在介質中每一點的聲壓都可以認為是由點源在該點產生的聲壓的登加，如圖2所示.在活塞壓電晶片表面上，任取一面元d5作為點源，它在距其為r處的A點產生的聲壓可以表示

8、為（1）式中：P0為介質密度；如為聲波在介質中的傳播速度;J1為一階貝塞爾函數.從式（1）可以看出，聲場中某點處的聲壓強度與該點到聲源的距離成反比，即聲場強度隨著發射聲束的傳播而逐漸減弱，1:發射換能器;2：接收換能胡】3：基底;4：管道壁$5：敷射物子或嫩氣泡:6：倚息體（8）工作原理示意圖1：發射換能器;2：援收換能器組；3：信息窗區域1、2、3;4：管道（b）m息窗分布圖1超聲波流量計原理圖2J】（如sin。）如sin。1.2換能昌指向特性由式（1）可知，活塞換能器聲場的聲壓不僅隨距離r和時間I變化,而旦與方向角。有關，換能器聲場中聲壓的指向因子當ka值不同時,聲源的指向性也不同.當超聲

9、頻率越高、壓電晶片直徑越大、如越大時，輻射聲束角8就越小，即指向性越明顯，但是當超聲頻率比較低時，其指向性差，發射張角大.本文的研究內容之一就是要減小傳感器聲束的張角.2傳感器的研制超聲波多普勒流量計的技術難點和關鍵問題之457李昕.等:超聲波多普勒流速測方法的信息窗區域投制研究一是傳感器的性能，即發射與接收傳感器的傳輸特性.本文所研究的問題是將發射聲束與接收聲束進行匯聚.對兩束聲束交叉的區域進行研究.交叉的區域即為流速分區測量的信息窗，信息窗的分布范圍與分布位置對流速分區測量至關重要分區測量的關鍵問題是:信息窗尺寸相對于管流直徑足夠小，才能達到分點測量的效果;信息窗位置必須能夠確定，以實現定

10、點測量.解決問題的途徑主要有2條：一是從傳感器的結構上進行研究；二是從后級處理電路上進行研究.本文的重點在于討論前一種方法，即通過理論分析來設計傳感器，并通過實驗來不斷改進和完善.21發射傳感器的研制由于換能器發射聲束的張角比較大，因而考慮在其前端加裝一塊有機玻璃聲導，以改善發射聲束.在前期的實驗工作中,先后考慮過3種聲導，分別為圓柱體換能器聲導、變幅桿換能器聲導和平凹透鏡換能器聲導.實驗結果表明：圓柱體換能器聲導發射的聲束成發散狀，即沿著聲波的傳播方向,聲束逐漸變寬，因擴散角較大，指向性不能滿足要求；變幅桿換能器聲導發射的聲束在近場相當窄，在3種換能器中最細.但張角很大，隨著聲波的傳播，聲束

11、直徑迅速擴大,它的指向性在3種換能器中最差;平凹透鏡換能器聲導發射的聲束近似平行，隨著聲波的傳播，聲束寬度變化不大，張角很小，指向性最好.通過大量地實驗，最終選擇平凹透鏡換能器聲導作為發射傳感器.2.2接收傳感器的研制當聲源發射的超聲波在水中傳播時，遇到散射粒子就會發生散射".散射波由接收換能器接收.散射波向四面八方傳播，各個方向的散射信號聲壓都有一定的強度,指向性不明顯.本文經過大量的實驗研究和探索，成功地設計了一個方向選擇透鏡來選擇接收聲束的方向.將此透鏡安裝在接收端壓電換能器前端，使得只有傳播方向為一特定角度的聲波才可以穿過透鏡，其他角度的聲波將被衰減而無法穿過透鏡，見圖3.接

12、收傳感器由壓電換能器、方向性選擇透鏡和斜面聲摸構成.發射傳感器端的超聲波換能器的頻率為1MHz.方向性選擇透鏡由柱狀聲楔和吸聲材料構成（圖3中的陰影部分），其中柱狀聲楔的長度為兩端均粘貼有圓環型吸聲材料，圓環寬度為入，圓環中間就是透過窗,2個透過窗均由線接觸產生，面積非常小，它們的位置對聲射線方向具有選擇性.只有恰好穿過2個透過窗的射線才可以直接到達接收端壓電換能器，而沿著其他角度人射的聲射線均被衰減.當散射回波信號沿軸向穿過時.聲壓將沿半徑方向衰減，形成一條很細的散射回波信號聲束，即接收聲束,因此，安置了方向性選擇透鏡后，接收到的信號聲束將會局限在一條狹窄的區域內，這樣接收區域與發射區域的匯

13、聚部分（信息窗區域）將會很小.斜面聲楔的斜面角為們P的選取對于接收傳感器的效果也有影響，必須選擇適當的尸角使得信息窗區域足夠小，信號足夠強.圖3方向選擇透鏡原理示意圖3實驗裝置與結果分析3.1實驗裝流體中的氣泡或其他微粒隨流體移動時可以產生多普勒頻移，同樣在靜止的水中沿垂直方向從下向上發射氣泡束，也可以模擬垂直方向的液體流動.這種方法的優點在于，氣泡束不僅可以模擬流體的運動，而且還可以通過氣泡束本身的位置，確定出其所模擬的運動速度表示管道截面上哪一塊區域的流動速度.實驗裝置如圖4所示.5個微氣泡發射細管沿直徑方向均勻分布,供氣調節開關可以分別對其供氣.每次只接通一路細管,使其能在不同的位置產生

14、沿著管道軸線方向的氣泡束，從而模擬出管道截面中不同位置處沿著軸線方向的流動.發射傳感器固定,Ho為62mm.接收傳感器沿著垂直方向可上下移動，Hi為可變值，當移動接收傳感器時，信息窗區域位置就會改變.當Hi為76.5mm時，信息窗區域調整在中心軸線上，剛好覆蓋中心細管所發射的軸向氣泡束產生的被測信號小區域（見圖4）.依次類推，改變接收傳感器的位置，可以使得信息窗區域覆蓋每一個細管所發射的軸向氣泡束產生的被測信號小區域.3.2實驗結果實驗結果如圖5所示，X和Y表示2個互相正1:接收傳感器:2：發射傳感器;3：容脖;4；平臺15：微氣泡發射編管圖4實驗裝置圖位置Hi測量值計算值165.011.51

15、0.9138268.016.514.0827376.521.023.0614480.028.026.7363584.034.033.8147表1信息窗位豆的瀏量結果與計算站果比較mm面上的位置，同時通過實驗方法也可以測量出該位置表1是信息窗位置的測量結果與計算結果的比敦情況.其中，測量值表示信息窗區域的中心點與管道壁的距離.交的沿管道截面徑向移動的方向，Z方向表示信息窗區域內信號的無量綱聲壓強度(即區域內所有信號的測量值與最大值之比).3塊區域A、B和C分別代表Hi為68.0mm,76.5mm和80.0mm時的信息窗區域，面積&等于2、0mmX4.5mm,Sb等于2.1mmx4.8mm

16、,Sc等于2.2mmx4.7mm,被測量的管道內徑為42mm,該區域的大小基本可以滿足分區測量的要求.本裝置可以測量5個區域,另外2個區域與圖5所示的情況相似，未在圖5中示出.圖5實驗結果微氣泡發射細管的壓力由多重閥門的調節來確定，氣泡的速度由壓力確定，在本實驗中，微氣泡模擬的流速為100m/s左右,每個細管的壓力相同，提供給測量點處的流速均相同，因而測量得到的信號的平均頻率也相同、根據發射和接收傳感器的幾何尺寸，以及它們在管道上的位置，可以計算出測量信息窗在管道截4結論(1) 通過對超聲波傳感器進行研制.實現了對發射聲束的聚焦和接收聲束的選擇，獲得了對信息窗區域的控制.(2) 設計出的模擬管道流動裝置，可以提供管道流動截面上某一小區域上的流速，為分區測量提供了信號源.(3) 測量信息窗覆蓋的被測小區域，就可以得出管道流通截面上的流速分布情況，為準確地計算出整個管道的流速和流量打下了技術基礎.(4) 信息窗區域位置的計算值與測景值比較吻合，說明該方法可以實現對管道流通