1、声学基础
19世纪时德国科学家克拉尼通过实验验证20kHz是人耳能听到声波频率的上限。而后，人们把超过人听觉范围(2OkHz以上)的声波称为超声波。在自然界，动物能识别超声波的*高频率是:狗25kHz;鲸鱼100kHz;蝙蝠175kHz。
超声波有2个重要的性能。*一是定向比。因为超声波频率很高和波长很短，所以它可以像光波那样沿直线传播，而不像频率较低的声波要绕物体前进。*二是超声波能在气体、液体和固体中传播。在不同的物质中超声波的传播速度各不相同。超声波在介质中传播的速度为c。它在不同介质中的传播速度见表 5.1。
在测量流体时，为了使超声波在传播中减少阻尼，通常:
·超声波对气体介质测量采用频率数量级是100kHz;
·超声波对液体介质测量采用频率数量级是1MHz;
·超声波对小口径管道液体介质测量采用频率数量级是2MHz。
2、超声波多普勒测量原理
多普勒超声波流量计的工作原理类似于用于交通的雷达测速方法。
发射部件以角度a和频率fl(约IMHz一5MHz)向流动的液体发射超声波。该超声波在传播过程中碰到在超声波场中以速度vp运动的粒子。频率为f1的发射波波长是
λ=c/f1
由于粒子以vp速度运动，以运动粒子作为参考系，接收从发射单元发出的超声波波长为
λp=（c-vp·cosa）/f1
再以接收单元为参考系，得到从粒子上反射的超声波，它的波长变化为
λ2=（c-2·vp·cosa）/f1
对次得出
由于vp》c，得到的频率差为
此频率差与粒子运动的速度vp呈线性关系（见图5.2）。
多普勒超声波流量计的优点:
·在已有的管道中安装简单;
·无活动部件，无摩擦。
多普勒超声波流量计的缺点和限制:
·测量方法要求介质必须连续，并含有足够的反射粒子;
·粒子具有足够大的尺寸，以便能进行良好反射(λ/4);
·在粒子材料中的超声波传播速度应与在被测流体中的传播速度相差很大;
·在被测流休中超声波的传播速度直接包含在测量结果中;
·通常粒子的速度与流体的速度有明显的偏差(滑差);
·大多数情况下超声波声场仅能测反射物质相遇点的速度，这样显示值对流速分布有很大的依赖性;
·流体的流速必须远远大于粒子产生沉淀的临界速度;
·为了保持良好的流体流动的性能需要很长的无干扰入口管道(20倍于管道口径的长度)。
多普勒超声波流量计的主要应用领域如下:
·医学应用(血流*检测)。这里绝对精度不起作用。仅要求良好的动态性能，详细重复诊断在血管中血液的脉动情况(类似于心电图)。在无干扰情况下简单和无需出血地把测量探头贴放在皮肤上(带耦合脂肪)。
·矿浆的流量测量(如铁矿石)。这里天然的矿粒子溶度很高。粒子的超声波传播速度与在载体介质内的传播速度有足够大的差别。当然，在对未超过临界的速度进行信号化时，与溶度有关的超声波渗透深度和流速分布会产生很明显的测量误差。
3、超声波时差测量原理
1）基本原理
在直型管道中由发送器以与流动方向成锐角形式发射穿过流动气体（如气体流量计）或液体的超声波，并用一个接收器接收信号。因为在管道弯曲处流动截面的流速分布不对称，所以在这种情况下不能应用超声波测量方法。
用发送器S和接收器E的超声波流流量原理如图5.3所示。在静态液体中，从发送器到接收器超声波运动的速度为Co通常液体流动的速度为v，此速度以图5.3的形式分布。在观察点O处流动速度v在超声波运动方向上的速度分量是voo在流动液体中与此相应的超声波速度为
c1=c+va=c+vcosa
如果把发送器和接收器互换，那么速度分量的方向与超声波运动方向相反。超声波的速度c2为
c2=c-va=c-vcosa
当测量距离ι已知时，原理上由在测量距离ι上的流体平均速度ū来确定测量时间t1。该时间是顺流时超声波运行距离ι所需的时间。但是超声波速度很明显与液体的温度有关。为了补偿温度对测量结果的影响，必须在顺流和逆流2个方向上同时发射超声波，以便同时考虑加以计算。这样，用超声波信号前边缘检测的时间t1和t2为
由式（5.8）和式（5.9）导出流体的平均流速v为
在测量路径长度ι倾角a以及管道几何尺寸不变的前提条件下，能通过测量2个计时时间t1和t2计算测量管道的平均速度和静态声速。
两脉冲运行的时间差为
式中 D--管道的直径。
时间差与沿测量管道方向的平均流速精确地呈线性关系(超声波声道)。但时间差的量值很小，对提高测量的分辨率有一定难度。
时差原理举例:
管道直径:100mm
入射角a：45°
被测介质：水
传播速度c：1480m/s
流速v：lm/s
顺流时间t1：95.4949x10-6s
逆流时间t2：95.5862x10-6s
时间差△t：91.29x10-9s
分辨率0.5%，能分辨的*小时间<500x10-12s
2）时间信号的检测方法
在时间检测过程中，控制发送的压电脉冲和处理接收信号的测量变送器必须保证有很高的时间分辨率。检测方法也经历了过零点检测、相关测量分析以及抗干扰能力和测量精度有很大改善的复杂数字信号处理等阶段。下面介绍2种检测方法。
（1）零点检测方法
绝对计时时间t1和t2的测量可经定时脉冲的计数来完成。按照图5.4，由发送器发出一个方波信号或矩形波信号;而接收到的信号是*先逐步增幅振荡而后逐步衰减振荡的信号。信号接收时选择一个已知的阈值。信号增大到达该阈值，“预触发”过零检测装置。当检测器检测到过零点时，得到计时时间间隔t测量c在增幅振荡过程中不能直接检测到t计时时间值，通常通过半波周期N整数倍的值对t测量修正产生t计时时间值。其中N值是信号从一个过零点到另一个过零点的间隔时间。图5.4中，t计时=t测量-3N。
（2）相关方法
相关流量测量方法的基本条件是选取被测介质的特征标记。超声彼流*计采用超声波脉冲信号作为特征标记。流速的测*性能可经过下列方法得到扩展和改善。
在采用超声波脉冲信号的特征标记进行体积流量测量时，在流动方向上前、后安装2套传感器。对传感器检测的微粒标记信号进行相关统计实现计时时间侧量。通常2个传感器分别安装在测量管道的入口端和出口端。如果把*1个传感器的信号作为测量装置的输入信号，而把*2个传感器的信号作为测量装置的输出信号，那么就能根据计时时间得到传递过程环节的脉冲响应g（t）。
假设传递过程环节含有未知的时滞时间T,2个信号就有一个时滞时间T的平移。使用2个被测信号的正交相关计算求出脉冲响应函数和计时时间，再由计时时间和测量装置的几何尺寸确定体积流量，如图5.5所示。
相关测量方法的原理是，在理想情况下测量传感器检测到2个形状相同的信号，它们之间仅是时间相互超前和滞后T的关系。测量方法以*1个传感器信号人为延迟r为基础。相关方法的主要任务是调节模型时间r，当:r=T时使经测量装置延时的信号u2（t）=u1（t-T）与人为延时信号u1（t-r）相等。由于信号带有随机噪声，广义的表达方式是通过相关器计算使两个信号的协方差为*小.即
对理想的情况，静态信号的方差为
和协方差为
当Υ=T时2个信号协相关函数达到*大φu1u1（Υ=T）。协相关处理器以固定的采样频率存储2个信号u1（t）和u2（t）的离散序列幅值。在测量范围允许的计时时间内得到一阶保持信号，并把它作为正交相关系数rxy（Υ）有
然后，寻找模型的计时时间Υmax使协相关系数*大。在测量传感器已知间距s和时滞时间T=tmax的条件下，计算流速v=s/T。
3）发送器和接收器的原理
超声波发送器的种类很多.大致可分成机械和电声2大类。在超声波流量计通常使用电声型发送器。
电声型超声波发送器把电磁能量转换成机械波的能量。这种能量转换是通过电声换能器来完成的。电声换能器的作用是将高频电源的电磁振荡能量转换成机械振动能量而发射超声波。电声换能器有压电式和磁滞伸缩式2种。这里主要介绍压电式换能器。
压电式换能器是用压电材料(如石英、磷酸甲钦酸钡等)制作而成的。当压电材料受到周期性的压缩时，就在两相对面出现周期性电压。此现象称为压电效应。相反，把周期性电压加在压电材料上，使压电材料产生伸缩的机械振动。这种逆压电效应是压电式换能器产生超声波的原理。压电式换能器能产生高频超声波，从几十千赫到几十兆赫，*高可达10Hz。它产生的声强也很大。在发送器表面处每平方厘米可达数十瓦，而且易于聚焦，以便产生更大的声强。它非常适合于工业应用。
关于超声波接收传感器，*常用的就是利用压电效应的传感器。这些传感器在接收超声波后产生振动，并输出交变的电信号。该信号经放大和数据处理后可直接使用。
