现代检测技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,超声波换能器,超声换能器,其他形式的能量 超声波的能量,发射,换能器。,超声（机械）能量 其他易于检测的能量,接收换能器,。,发射电路,发射换能器,媒质,接收换能器,接收电路,主控电路,输出,换能器: 进行能量转换的器件,在声学研究领域，,换能器主要是指电声换能器，,电能 声能,1,第二章,超声波换能器,一、,超声换能器的种类,：,（1）,按能量转换的机理和换能材料分,： 压电、磁致伸缩、机械型等超声换能器,（2）,按振动模式分,：纵向(厚度)振动、剪切振动、弯曲振动等换能器,（3）,按工作介质分,： 气介、液体、固体等超声换能器,（4）,按工作状态分,： 发射型、接收型、收发两用型超声换能器,（5）,按输入功率和工作信号分,： 功率型、检测型、脉冲信号、调制信号和,连续波信号等超声换能器,（6）,按形状分,：圆盘型、棒状、圆柱型、球形等换能器,（7）,按照应用需要分,：平面波、球面波、柱面波、聚焦和阵列等超声换能器,二、超声换能器的特性参数：,共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、,频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等,不同用途的换能器对性能参数的要求不同,；,例如，发射型超声换能器: 要求输出功率和能量转换效率高；,接收型超声换能器: 要求频带宽和灵敏度高等,在换能器的设计中，根据具体的应用，合理选择参数,2,三、检测用的超声换能器特点：,（1）,功率小,（不使传声媒质的性质变化） ，又要有足够的强度（保证一定的信噪比）；,（ 脉冲超声波，其瞬时功率较大可以保证有足够的信噪比，而平均功率较小，这种,换能器比较轻巧，便于安装)；,（2）,稳定性好,(时间稳定性和温度稳定性)。材料进行老化处理老化。,（3）,在换能过程中，波形不失真,。机械Q值太大，频带宽度窄，产生波形畸变；,（4）,对振动方式有特殊的要求,，,以便在传声媒质中得到所须波型的超声波(如纵波、,横波、表面波、板波、弯曲波等) 。,（5）,使用条件方面的特殊要求,，如防爆、防腐蚀、防辐射、 防漏、,高温或低温、高压或抽空等。,从换能器的材料、形状和外壳结构等方面来考虑。,第二章,超声波换能器,3,2.1 压电材料及压电效应,压电超声换能器的优点：,（1）在高频范围，能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动,（2）结构简单，易于激励,（3）压电换能器易于成型和加工，可用于不同的应用场合,2.1.1,压电,材料,1880年法国物理学家居里兄弟发现,压电效应,1881年科学家们又从理论上预计并从实验上证实了,逆压电效应,的存在,他们发现,当压电材料的温度超过一定的值时，压电效应不再存在，这一临界温度称为压电材料的居里温度，也称为居里点,有五大类,：,压电单晶体：各向异性体。,压电陶瓷：各向同性体。,压电高分子聚合物,压电复合材料,压电半导体材料,4,1,.,压电单晶体,2.1压电材料及压电效应,有,天然,生长和,人工,培育的。如石英、硫酸锂、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐等晶体是各向异性体，物理化学性质因观察方向而有差异。,天然石英（SiO2）晶体:,理想结构外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示.,光轴:,纵向轴,Z,Z,；,电轴,:,X,X,轴,经过正六面体棱线，并垂直于光轴；,机械轴:,Y,Y,轴,与,X,X,轴和,Z,Z,轴同时,垂直（垂直于正六面体的棱面）。,Z,X,Y,(,a,),(,b,),Z,Y,X,石英晶体,(,a,)理想石英晶体的外形 (,b,)坐标系,把沿机械轴,Y,Y,方向的力作用下产生电,荷的压电效应称为“,横向压电效应,”;,沿光轴,Z,Z,方向受力则不产生压电效应。,把沿电轴,XX,方向的力作用下产生电荷,的压电效应称为“,纵向压电效应,”;,国际上将晶体分为七个晶系，即三斜品系、单斜品系、正交晶系、四方晶系、三方晶系、六方晶系以及立方晶系,5,切割取向和切割方位不同时，石英晶体的性能就不同可以产生不同性质和不同用途的石英振子,X 切割产生厚度(纵向）振动模式； Y 切割产生切变（横向）振动模式；,2.1压电材料及压电效应,X切割的石英晶体片,晶片的切割：,石英晶体的优点是性能非常稳定，其介电常数和压电系数在常温范围内几乎不随温度变化。,在,20200,范围内，温度每升高1，压电系数仅减少,0.016,。但是当到573时，它完全失去了压电特性，这就是它的,居里点,。,机械强度高，绝缘性能也相当好。,石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般用于,标准仪器,或要求较高的传感器中。,6,压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的,电畴结构,。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。,直流电场,E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,(,a,),极化处理前,(,b,),极化处理中,(,c,),极化处理后,2一1压电材料及压电效应,2.,压电陶瓷,是压电多晶体人工烧制。,如钛酸钡、锆钛酸铅等；,制作过程： 配料 混合 粉碎 预烧 成型 烧成 上电极 极化 测试,电极,：陶瓷上镀的一层金属（银、铜、金和镍）薄膜,未极化的压电陶瓷,由于其中的电轴取向杂乱排列，,不具有压电效应,极化处理后的陶瓷 成为各向异性体 压电效应,极化,：,在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电轴沿电场方向取向排列,极化条件,：极化电场、极化温度和极化时间,7,当压电材料的温度超过其居里温度,时,，极化消失，压电效应不再存在,如高温极化条件下，极化电场达到20kVcm,优点,（,与压电单晶体等相比,）：,原材料价格低廉；,机械强度好，易加工（各种不同的形状和尺寸），适应不同的应用；,可以制成品种各异、性能不同的压电材料（添加不同的材料成分）；,可以得到所需的各种振动模式（采用不同的形状和不同的极化方式）；,2一1压电材料及压电效应,用电压表无法测出陶瓷片内部存在的极化强度,。因为陶瓷片内的极化强度是以,电偶极矩,的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现,正束缚电荷,，另一端出现,负束缚电荷,。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。, , , , ,自由电荷,束缚电荷,电极,电极,极化方向,陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,8,常用压电陶瓷：,（1）,钛酸钡压电陶瓷,钛酸钡（BaTiO,3,）是由碳酸钡（BaCO,3）,和二氧化钛（TiO,2,）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。,它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,（2）,锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）,锆钛酸铅是由,PbTiO,3,和,PbZrO,3,组成的固溶体,Pb,（,Zr,、,Ti,）,O,3,。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在,300,以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的,PZT,材料。,因此,锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料,。,2一1压电材料及压电效应,9,3.,压电聚合物,比较新型的压电换能器材料,聚偏氟乙烯,(PVDF）或者,聚二氟乙烯（,PVF2)是,目前发现的压电效应较强的聚合物,薄膜,，这种合成高分子薄膜本身不存在压电效应。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。,特点：,柔顺性、热塑性和易于加工等，,并容易制成大面积压电元件。耐冲击,、不易破碎、稳定性好、频带宽。,化学性质非常稳定，其熔点大约是170。,制作过程,：,制膜 拉伸 上电极 极化 ,优点,：,柔顺系数是压电陶瓷材料的几十倍。,压电电压常数高，适于制作高灵敏度接收换能器和换能器阵,机械品质因数较低，适合于制作,分辨率高的窄脉冲,超声换能器,声阻抗率较低，易于和传播介质宽带匹配,缺点：,性能与温度有关，机电耦合系数较小，损耗大，介电常数很小，不适合制作发,射型换能器,2一1压电材料及压电效应,10,特点 ：,低密度、低阻抗、低机械品质因数、高频带、高的抗机械冲击性能和低的横,向耦合振动等优点,应用于,无损检测、水声和医用超声换能器,中,现在的B超诊断仪的探头里所用的换能器几乎全部采用了压电复合材料,4.,压电复合材料,压电材料,(通常是PZT),高分子聚合物,按一定的方式相结合的材料,2一1压电材料及压电效应,(PVF2PZT)。,5、压电半导体材料,如ZnO、CdS 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,11,2.1.2,压电,效,应,压电效应,：,当晶体受到应力（张应力、压应力、剪切应力）作用，产生形变时，晶体会,产生电场。,加交变电场(电压) ，则晶体因变形而振动，在周围介质中将激起声波。,(一)纵向压电效应,(二)纵向逆压电效应,+, ( + ),(),2.1压电材料及压电效应,逆压电效应,：,在电场作用下，晶体将产生应变或应力。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,12,(三) 横向压电效应,X,Y,(四)横向逆压电效应,u,纵向振动,横向振动径向振动,*,在X轴的两面上 施加电压可 产生,*,并不是说,纵向振动,横向振动,纵向振动产生纵波,横向振动产生横波,+, ( + ),(),2.1压电材料及压电效应,13,：,压电体两电极面的静电容,：,在晶体材料中的介电损失,：,顺从性（弹性 1/K),：,晶体的质量,：,晶体和其支架的摩擦阻,：,晶体的附加负载 传输的声功率,电系统,电特性,机械系统,运动特性,2.1.3,压电,体的,动态,特性,等效电路：,谐振频率：（1）串联谐振频率 (谐振频率),阻抗最低,；,（2）并联谐振频率,(,反谐振频率,),阻抗最大。,如 很小时，两个谐振频率是很接近的。,石英： ,100,2.1 压电材料及压电效应,机电耦合系数,电能转换为机械能,供给的电能,Rm,Cm,Lm,R,L,Rd,Ce,14,施加电压 ，使厚度增加 ，则,2.1.4,压电,晶体的几个主要参数,设晶体为理想的材料（即只有厚度方向振动），,(一),压电应变常数(发射灵敏度),长a,宽b,厚度t,压电,晶体,电压,(二),压电应力常数(接收灵敏度),施加压力 ，晶体产生电压为 ，则,(,三),压电形变常数,施加一定压力，厚度增加 ， 使产生电压 。则,2.1压电材料及压电效应,如给压电晶体的等效电路上外加电压 U，则,15,如: 锆钛酸铅PZT5值 ,压强,相对变化,主要误差来源是温度的影响,。,如图：,液体的声速都有,负,的温度系数,水,和,水溶液有一个声速极大值,；,溶质增多，声速极大值对应的温度降低,。,在声速极大值附近，声速随温度变化的梯度小。,水和水的溶液有,正,的温度系数,.,液体,3.4 声速仪在媒质特性分析上的应用,对声速的影响,53,温度变化造成的误差超过声速仪,本身,测量,浓度,的误差,。,= 19 米秒,-1,， ,-1,，,15米秒,-1,度,-1,。,=1米秒， =1 ,，,=0.13,：,声速仪测量声速的误差,；,：,声速的温度系数,：,温度的变化,例,：,声速仪分析浓度时的浓度误差,硫酸溶液,：,在851 00的浓度区域里,=0 ,=0.05,3.4 声速仪在媒质特性分析上的应用,54,减小温度影响的,方法,：,1,恒温方法,：,测量时,把媒质的,温度控制在,一定,温度上。利用通常的恒温系统就能达到较高的分析精度。,不能在线测量。,2.,测定媒质的温度进行,自动,补偿,查表补偿,：,作修正表格，计算机实现,。,温度补偿电路,：,不通用,。,3,将待测液与温度相同的标准液进行声速比较,如测浓度、密度,。,要求,： （1）,标准液容器,的外径,被测液的管道,内径,。,（2）标准液的容器的热惯性要小。,（3）标准液和待测液的声速温度系数要接近。,二者温度基本相同,。,被测液和标准液声速之差就对应于媒质特性的差异。,这种方案通用性强，可,在线测量,。,混频后的差频信号与媒质特性量的差值成正比,。,3.4 声速仪在媒质特性分析上的应用,被测液的管道,标准液容器,55,3,.,5,用,测,量衰减,进,行媒,质,特性分析的方法,扩散衰减,吸收衰减,散射衰减,选择,适当的频率,，,某种媒质特性发生变化时,，,某种衰减产生明显的,变化,分析的,根据,一、,测,量衰减,绝对值( )进,行媒,质,特性分析的方法,变程脉冲,法,实验室方法,（测量流体）,方法1,：,保持衰减器的位置不变,h,(脉冲高度),(,脉冲声压),56,方法2：,调节衰减器位置（用或分贝和奈培刻度）,衰减器读数,：,（1）用刻度,：,保持,示波器上的,脉冲高度 不变,（2）以,奈培刻度,衰减器读数：,单位长度上的奈培衰减数,单位长度上的,衰减数,3.5 用测量衰减进行媒质特性分析的方法,57,二、,测,量衰减相,对值进,行媒,质,特性分析的方法,固定距离的脉冲法,测量接收波振幅的大小,测量能接收到的回波次数,发,多次反射波,（1）,金属探伤仪来鉴别球墨铸铁的球化质量,。,球墨铸铁球化得好,，,片状的石墨少,，,散射衰减小,，,多次反射的次数多。,反之，球化愈差，散射衰减大，反射次数。,（2）,测量矿浆的浓度,散射衰减它与颗粒的浓度、粒度、比重和表面构造有关。,（3）,测量低浓度纸浆的浓度,缺点：,精度,低。,优点,：,测量迅速，装置简单,。,，,原因：,换能器的耦合、发射功率、接收灵敏度和媒质的反射系数等因素的变化,。,悬浊液本身的成分复杂，影响衰减的因素多,。,3.5 用测量衰减进行媒质特性分析的方法,58,（2）用,声速,仪,测量,（1）,测量,3,.,6 测,量阻抗,进,行媒,质,特性分析的方法,测量媒质的声阻抗率，就是测量媒质反映在换能器上的辐射阻抗,。,：,等效机械内耗电阻,：,与辐射阻抗成正比的等效电阻抗,换能器发射平面纵波行波，媒质有足够大, 则,测出,可计算出,并联一个,调谐,电感,。,恒 压,振荡源,、 、 ：,定量,利用超声波测量流体媒质密度或弹性的原理,（4）测,弹性模量,（3）测,密度,59,脉冲振幅,近似,和辐射阻抗成正比,；,超声密度计,（1）,脉冲回呜电路,测量声速：,重复周期,积分放大器输出,峰值电压,检波后的脉冲的高度,脉冲的宽度,脉冲的高度,宽度,峰值检波器上的峰值电压,（,脉冲的面积,）,（,被测媒质的密度,）,（2）阻抗测量电路：,测,弹性模量,3,.,6 测,量阻抗,进,行媒,质,特性分析的方法,D,a,b,c,d,e,f,g,h,i,60,第三章,声速、衰减和声阻抗的,测,量及其在媒,质,特性分析上的,应,用,3,.,6 测,量阻抗,进,行媒,质,特性分析的方法,超声密度计,3,.,5,用,测,量衰减,进,行媒,质,特性分析的方法,测量衰减绝对值、测量衰减相对值进行媒质特性分析的方法,3,.,4,声速,仪,在媒,质,特性分析上的,应,用,应用实例、温度影响及其补偿方法、,3,.,3,脉冲回,鸣,法,原理、存在的问题、误差及修正,3,.,2 测,量传播时间的脉冲声速,仪,工作原理、测时误差和修正方法,3.1声速,测,量方法,共振干涉法、临界角法、相位比较法、脉冲法等。,61,1,.根据测,量传播时间的脉冲声速,仪的原理框图设计一声速仪 画出原理,图。,要求：,发射接收电路要求详细。,可以采用单片机系统（可以画框图）。,发射电路要有调谐和阻抗匹配。,接收电路可以加入提高测时精度的措施。,如果是自发自收探头接收电路要加限幅电路。,2,.根据,脉冲回鸣法,原理框图设计一声速仪 画出原理图。,思考：,被测媒质是气（几十,KHz,）、液（几百,KHz,） 、固（几百几千,KHz,）体那类介质？,声时的范围？,接收电路至少有那些电路组成,?,采用何种类型放大器？,提高测时精度的措施？,单片机完成哪些功能？硬件完成哪些功能？程序完成哪些功能？,设计题：,62,第四章 超声波测量流量,特点：,(1)非接触式(,可对,不易接触和观察,的流体进行测量),。,(2)不受流体物理性质化学性质(流体的粘性、导电性、混浊及腐蚀性等)的影响,。,重点：,超声波流量测量技术的基本原理和主要测量方法,。,4,.,1,超声波流量,计,声学原理,其他测量原理的超声波流量计：,超声束位移法、超声波多普勒法,。,流体,声速：c,(1),流体静止,时：,c,1,=,c,2,(2),流体流动,时,：,顺流,:,c,1,=c+u,逆流,:,c,2,=c,-,u,测,c,1,和,c,2,u=2(c,1,-c,2,),测量超声波顺流和逆流之间的差别确定流体流速,.,方法：,时间差法,、,相位差法,、,频率差法,等,一、,声学原理,变换器,：,发射器、接收器 声导(或称声楔) 机械联结组件等。,电子电路,：,发射和接收电路，信号处理电路，流量显示等部分。,组成,63,二、变换器,按测量方式分,：,接触式和非接触式。,从声学角度分,：,无折射,和,有折射,式。,无折射变换器,：,有折射式变换器,：,声导(,楔形,),声导,作用,：,（2）,波型转换,（1）,防止超声换能元件,与被测媒质接触；,利用管壁,多个折射面的变换器、,双通道,变换器,、单通道切换式,变换器,。,4.1 超声波流量计声学原理,64,4,.,2,超声波流量,计,的流体力学分析,讨论超声波射线在流动被测媒质中的传播情况。,流动状态,紊流状态,：,层流状态,：,流,速呈对数分布,（,均匀,）,流,速呈抛物线分布,（,不均匀,）,超声波流量计适用,于,紊流状态流体,。,雷诺数,：,流体的运动粘滞系数,。,临界流速u,：,达到紊流状态的最低流速。,如,直径为300毫米的管道水的临界流速为13厘米秒,-1,。,时，达到紊流状态,。,体,积流量,：,管道的横截面积,：,沿着管道横截面的平均流体流速,测得,，,可求出流量,。,65,轨迹,为,曲线,P,：,为光滑圆管的阻力系数,超声波射线在流体中的传播轨迹,：,（1）,流体静止,：,传播轨迹,为PB.,（2）,流体流动,：,在点P和 点处，,处,在,点的出射角与点B 的出射角相等,，,即仍为入射角,。,P,4.2 超声波流量计的流体力学分析,=0.003,沿着管道横截面的流速,66,假定：,(1),管道内各点流速沿横截面均匀分布,，,等于 ；,(2),不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变,；,(3),忽略声导折射面上的曲率，并认为管道内壁是光滑的,。,：,超声波射线与管道轴线之间的夹角,超声波在流动被测媒质中的传播速度,面平均流速,：,管道横截面,上的,平均流速,线平均流速,：,超声射线上,的,平均流速;,超声波流量计所测之流速.,线平均流速与面平均流速之差异可以通过流体动力学修正系数来计算。,4.2 超声波流量计的流体力学分析,67,4,.,3,主要,测,量方法,一、,时,差法,时差法,：,测量超声波脉冲顺流和逆流传播的时间差,。,顺流发射时, 超声脉冲传播时间,逆流发射时, 超声脉冲传播时间,c,1,c,3,c,2,u,电路延迟时间,声导及管道壁中的延时,设顺流和逆流延时相同，,时差,68,（,米,3,小时,-1,）,超声波流量计的基本方程,：,声速 是温度的函数,。,流量测量相对误差就等于 的相对变化的两倍,。,例：,D=300毫米、 =1500米.秒,-1,、 =1.3米秒,-1,、,=20 时，,1 微秒,时差法需要测量微小时间差,值很大时， 增大,。,适于大口径管道、河道等。,一、,时,差法,4,.,3,主要,测,量方法,69,二、相差法,检测顺流和逆流发射时,所接收到的信号,之间的相位差,。,顺流,：,逆流,：,：,时差,相差法流量计的基本方程,：,调相器,：,调整相位检波器的起始工作点以及校正零位,。,相差法避免了测量微小时间差，把时间差转换成相位差来测量，可提高测量精度。,声速随温度而变化。,4,.,3 主要测量方法,70,三、,频,差法,“回鸣” 或“团转”方法。,顺流重复频率,逆流重复频率,对于无折射轴向式变换器,：,只与频率差有关,，,与 无关，,这是频差法的主要特点。,对于有折射变换器,：,D,D,4,.,3 主要测量方法,71,频差法流量计基本方程如下：,频差法,受温度影响小。,4,.,3 主要测量方法,72,四、超声束位移法,超声束在流动的流体,中,产生偏移,，,偏移量,与,流体流速,有关。,（1）,当,流体静止,时,：,J1和J2的接收信号,的,强度都等于,（2）,当,流体以流速,移动时,超声射线方向偏移角度,：,射线的偏移量,有折射变换器,：,两个接收信号的强度之差值 也越大。,愈大,，,数值很小，只有直径 的0.1左右,设多次反射次数为 ，,则,无,折射变换器,：,4,.,3 主要测量方法,D,L,u,73,：,超声射线束的平均宽度,：,流体静止时任一接收信号的强度,：,比例恒量,接收信号强度,声束宽度,：,无折射情,况,在低流速时，测量灵敏度很低,。,要求管道内壁光滑、内径大,、,衰减系数小,，,适用性不大,。,应用,于,高速稳定流体的流量测量。,线路简单。,4,.,3 主要测量方法,74,五、超声多普勒法,（1）粒子作接收器,：,：粒子,反射的超声波频率,（,2）粒子散射波作声源：,多普勒频移,由（1）和（2）,特点,： （1）,适用含有悬浮粒子的流体,；,（2）,有折射式变换器，基本不受温度的影响,。,4,.,3 主要测量方法,悬浮粒子,流体,发射连续超声波,75,将上式代入,各种方法的流量计基本方程,，就可,写成以入射角 表示的形式,。,4,.4,变换,器的若干,问题,一、以入射角 表示的超声流量,计,基本方程,：,折射,系,数,夹角 与折射面个数 及管壁材料无关，只决定于入射角 和折射,系,数 值,（已知量）,。,76,二、 波型,转换问题,和,变换,器,结,构,两个折射面的变换器,：,两束,四束,六束(有两条波重合）,流体,在接收换能器声导内侧则产生六束(其中有两条波重合）超声波束。对接收换能器的接收信号的选择不利。,通常选 大于第一临界角(纵波)而小于第二临界角（横波）。,波束数目都将减半，以减少接收声导中的声混响。,声导：,有机玻璃,纵波速度,为,2780米秒,-1,。,管壁(金属钢材),：,横波速度 3200米秒,-1,；,纵波声速 5800米秒,-l,第一临界角,第二临界角,选在 40 50 之间,4,.4,变换,器的若干,问题,77,4.5,灵敏度和,测,量范,围,各,种,超声波流量,计,的比,较,分析,灵敏度,测量的特征量,流体流速,、,、,测量范围,：,流速测量的上限和下限的起止范围,。,测量范围与各方法的特征量有关即与灵敏度有关。,一、,时,差法,测量范围,：,没有上限,，,下限受时差测量的限制,。,如时标脉冲频率100MHz，,测时绝对精度,为,0.01微秒,，,要保证1的测量误差，,=1.33米秒-,1,=20,=300,毫米,=1500,米秒,-l,不适于,低流速的测量,。,时间扩展法,：,使超声波顺流和逆流分别发射 次,，,时差将增大 倍,（ ） 。,流速下限不变的条件下,，,相对精度相应提高 倍,；,在测时精度不变的条件下，流速下限扩展到,。,如,灵敏度,：,只有在大直径 管道和较低流体声速,情况下，灵敏度才有所提高。,78,二、相差法,灵敏度,：,和时差法,相,比，同,样,的测量条件下，相差法灵敏度比时差法高 倍,可以测量小口径管道及高声速流体的流量而不降低精度,；,测量范围,：,测量下限低,。,上限受限制,，,时，,流量读数造成错误。,提高超声振荡频率可提高灵敏度,，,但不能无限增大,受,读数错误的限制,受,衰减的限制,选,几十千赫二兆赫,。,三、频差法,测量范围:,灵敏度,：,设在取样周期,时间内，频差测量的计数绝对误差1。,要保证1的相对误差，,频差下限,如,=1秒，,=100赫兹；,=5秒,，,=20赫兹,。,在保证相同下限,的条件下，增大,，,可以提高测量精度，,增大会受到限制.,采用,倍频技术,使,增大,倍，,可提高测量精度或者降低频率测量下限。,4.5 灵敏度和测量范围,79,超声波流量计所测,的,流速为超声射线上,的,平均流速 ( 即线平均流速)。,对于光滑圆管，线平均流速 与面平均流速 之关系为,实际中，修正系数 值,，,还与管道入射口的形状及上下游直管段的长度等因素有关。,4,.6,超声波流量,计,的修正及主要,测,量,误,差,一、流体,动,力学修正,流体力学的半经验公式,，,流体动力学修正系数,：,光滑圆管阻力系数,：,在,从5l0 ll0,