[发明专利]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

说明书

本发明公开了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。在待测管道径向斜对侧安装有相互独立的超声波发射与接收模块，且两个模块由待测流体隔开；所述的超声波发射模块和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；所述微机械压电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。本发明通过布置在管道径向斜对方向的两块独立的微机械压电超声波换能器阵列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。

技术领域

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。

发明内容

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。