一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器的制造方法
【專利摘要】一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，包括外殼，外殼上設(shè)置環(huán)形凸臺，環(huán)形凸臺上開設(shè)圓形槽，環(huán)形凸臺外壁處開設(shè)環(huán)形安裝槽，環(huán)形安裝槽內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片，環(huán)形輔壓電片的上表面設(shè)置輔壓電密封聲阻抗匹配層，圓形槽內(nèi)安裝圓形主壓電片，圓形主壓電片的上表面設(shè)置主壓電密封聲阻抗匹配層，環(huán)形輔壓電片的內(nèi)徑大于圓形主壓電片的直徑，圓形主壓電片與環(huán)形輔壓電片在垂直方向設(shè)置固定距離，環(huán)形凸臺中部開設(shè)第一引線孔，第一引線孔內(nèi)設(shè)置第一導(dǎo)線，第一導(dǎo)線穿過外殼位于外殼外部，外殼下部填充封膠層。由于本發(fā)明能夠利用主、輔壓電片的聲程差準(zhǔn)確測量得到介質(zhì)靜止聲速，因此能夠準(zhǔn)確測量得到介質(zhì)的流速，從而提高了超聲波燃?xì)獗淼臏y量準(zhǔn)確度。
【專利說明】
一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及換能器，是一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]換能器的應(yīng)用范圍較廣泛，[微軟用戶I][微軟用戶2]。[微軟用戶3][微軟用戶4][微軟用戶5]，由于燃?xì)饨M份、壓力、溫度隨時(shí)發(fā)生變化，因此，介質(zhì)的靜止聲速極難獲得，而準(zhǔn)確獲得介質(zhì)的靜止聲速是準(zhǔn)確測量氣體流量的必備條件。市場上普遍使用的單晶片超聲換能器獲得介質(zhì)聲速的方法是通過提高超聲波的發(fā)射功率以提高接收首波的幅度，對接收信號采用高速ADC采樣，然后從接收的波形中估算出聲超波的傳播時(shí)間，然后再進(jìn)一步計(jì)算出聲速。這種結(jié)構(gòu)的不足是，發(fā)射電壓高，功耗較大，安全性較低，高速ADC的價(jià)格昂貴，另外，CPU處理時(shí)必須要求在短時(shí)間內(nèi)完成，對CPU的性能要求較高，小流量測量誤差較大，Qmin誤差一般在3%-5%左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，它采用雙壓電片，在介質(zhì)中產(chǎn)生雙聲程，主、輔壓電片之間存在固定的聲程差，用聲程差進(jìn)行聲速測量，從而達(dá)到精確測量介質(zhì)靜止聲速的目的，以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過以下技術(shù)方案:一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，包括外殼，外殼上設(shè)置環(huán)形凸臺，環(huán)形凸臺上開設(shè)圓形槽，環(huán)形凸臺外壁處開設(shè)環(huán)形安裝槽，環(huán)形安裝槽內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片，環(huán)形輔壓電片的上表面設(shè)置輔壓電密封聲阻抗匹配層，圓形槽內(nèi)安裝圓形主壓電片，圓形主壓電片的上表面設(shè)置主壓電密封聲阻抗匹配層，環(huán)形輔壓電片的內(nèi)徑大于圓形主壓電片的直徑，圓形主壓電片與環(huán)形輔壓電片在垂直方向設(shè)置固定距離，環(huán)形凸臺中部開設(shè)第一引線孔，第一引線孔內(nèi)設(shè)置第一導(dǎo)線，第一導(dǎo)線穿過外殼位于外殼外部，外殼下部填充封膠層。環(huán)形凸臺的上邊沿高于外殼的上邊沿，環(huán)形凸臺上部外表面為圓錐面。所述圓錐面的底端與外殼的上邊沿位于同一平面內(nèi)。環(huán)形安裝槽內(nèi)開設(shè)第二引線孔，第二引線孔內(nèi)設(shè)置第二導(dǎo)線，第二導(dǎo)線一端穿過封膠層位于外殼外部。所述圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料制成。圓形主壓電片的中心線與環(huán)形輔壓電片的中心線為同一中心線。主壓電密封聲阻抗匹配層的上表面與輔壓電密封聲阻抗匹配層間設(shè)置固定的距離。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:它采用圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片兩個(gè)壓電片，在超聲波燃?xì)獗碇惺褂脮r(shí)使被測介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)聲程，用兩個(gè)聲程間的聲程差測量介質(zhì)靜止聲速，從而測量氣體流量。本發(fā)明所述的帶有圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片兩個(gè)壓電片的換能器結(jié)構(gòu)，能在聲的傳播方向上相差一個(gè)固定距離，這個(gè)距離在介質(zhì)最短聲波波長的(N+x)倍，最佳設(shè)計(jì)是N=O，x=0.6至0.8之間，也就是在一個(gè)波長內(nèi)。換能器使用時(shí)裝在流速屏蔽管內(nèi)，流速屏蔽O的區(qū)域，兩個(gè)換能器之間由于主、輔壓電片的存在，會形成兩個(gè)聲程，主聲程的長度小于輔聲程的長度，在同一個(gè)換能器上的主、輔壓電片之間的聲波差程中，由于流速屏蔽管的作用，在聲波差程中介質(zhì)流速為O，通過測量主、輔壓電片接收到的信號相位時(shí)間差，就可以根據(jù)主、輔聲程差計(jì)算出準(zhǔn)確的聲速，由于在這段差程中介質(zhì)流速為O，因此測量得到的聲速就是介質(zhì)靜止聲速。由于本發(fā)明能夠利用主、輔壓電片的聲程差準(zhǔn)確測量得到介質(zhì)靜止聲速，因此能夠準(zhǔn)確測量得到介質(zhì)的流速，從而提高了超聲波燃?xì)獗淼臏y量準(zhǔn)確度。
[0006]本發(fā)明的換能器安裝在氣體或流體管道內(nèi)的兩端，當(dāng)其中一個(gè)換能器的圓形主壓電片發(fā)射超聲波時(shí)，另一個(gè)換能器的圓形主壓電片先接收到超聲波信號，然后環(huán)形輔壓電片再接收到信號，這樣，另一個(gè)換能器的圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片之間產(chǎn)生一個(gè)聲程差，接收到的信號之間有一個(gè)時(shí)間差。圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片的信號通過“過零”整形后，用鑒相器可以精確測量到該時(shí)間差，然后再根據(jù)圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片的聲程差算出介質(zhì)的聲速，由于換能器的圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片間的介質(zhì)流速為零，測量到的聲速就是介質(zhì)靜止時(shí)的聲速。目前的脈沖擴(kuò)展的數(shù)字鑒相器的精度可以做到0.1ns-
0.3ns，當(dāng)圓形主壓電片、環(huán)形輔壓電片的聲程差為2mm時(shí)，聲速的測量精度可達(dá)到0.01-
0.05m/s。經(jīng)檢測，本發(fā)明的換能器在超聲波燃?xì)獗碇袘?yīng)用時(shí)的流量測量誤差為0.1%-0.4%。本發(fā)明所述的換能器僅需24V以內(nèi)的發(fā)射電壓，使用安全性高，功耗低，涉及的電路工作電壓范圍在高壓CMOS范圍內(nèi)，易于實(shí)現(xiàn)超聲波燃?xì)獗韺Ｓ锰幚黼娐返募苫?，對CPU要求低，能夠?qū)邮招盘柸坎捎谩斑^零”比較，然后進(jìn)行脈沖擴(kuò)展鑒相實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的測量，電路處理簡單，制造成本低等。
【附圖說明】
[0007]附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3是本發(fā)明換能器安裝在流速屏蔽管內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖，示意本發(fā)明換能器安裝在流速屏蔽管內(nèi)的使用狀態(tài)，圖中A和B分別表示兩個(gè)換能器,L1表示A換能器中圓形主壓電片和B換能器中圓形主壓電片之間產(chǎn)生的主聲程，L1表示A換能器中圓形主壓電片和B換能器中環(huán)形輔壓電片之間產(chǎn)生的輔聲程。
【具體實(shí)施方式】
[0008]對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0009]本發(fā)明所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，包括外殼I，外殼I上設(shè)置環(huán)形凸臺14，環(huán)形凸臺14上開設(shè)圓形槽4，環(huán)形凸臺14外壁處開設(shè)環(huán)形安裝槽3，環(huán)形安裝槽3內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片5，環(huán)形輔壓電片5的上表面設(shè)置輔壓電密封聲阻抗匹配層6，圓形槽4內(nèi)安裝圓形主壓電片7，圓形主壓電片7的上表面設(shè)置主壓電密封聲阻抗匹配層8，環(huán)形輔壓電片5的內(nèi)徑大于圓形主壓電片7的直徑，圓形主壓電片7與環(huán)形輔壓電片5在垂直方向設(shè)置固定距離，環(huán)形凸臺14中部開設(shè)第一引線孔10，第一引線孔10內(nèi)設(shè)置第一導(dǎo)線13，第一導(dǎo)線13穿過外殼I位于外殼I外部，外殼I下部填充封膠層9。
[0010]本發(fā)明所述的換能器置入流速屏蔽管兩端，兩個(gè)圓形主壓電片間產(chǎn)生主聲程，一個(gè)圓形主壓電片和另一個(gè)環(huán)形輔壓電片間產(chǎn)生輔聲程，兩個(gè)聲程有一個(gè)聲程差，聲程差選擇為介質(zhì)最小聲波波長的(N+x)倍，N取整數(shù)，X為0-1之間的小數(shù)，最佳選擇N=O，x=0.6—
0.8，通過電路板中鑒相器可以測出主輔壓電片接收到信號的時(shí)間差t，然后用公式c=L/t就可以計(jì)算出介質(zhì)的聲速(t為主輔信號時(shí)間差，L為主輔壓電片的聲程差，c為聲波速度)，再通過CPU運(yùn)算后從而檢測出氣體流量。本發(fā)明所述換能器置入流速屏蔽管內(nèi)一端或兩端，流速屏蔽[A7]本發(fā)明所述換能器的圓形主壓電片信號可以采用“過零”整形，在[AS]。由于本發(fā)明可以對接收信號全部采用過零比較，然后再進(jìn)行脈沖擴(kuò)展鑒相實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的測量，因此，可使電路設(shè)計(jì)簡單化，并能達(dá)到精度高的要求。
[0011]本發(fā)明所述環(huán)形凸臺14的上邊沿高于外殼I的上邊沿，環(huán)形凸臺14上部外表面為圓錐面12，圓錐面12的底端與外殼I的上邊沿位于同一平面內(nèi)。本發(fā)明采用圓錐面12，用于減小對超聲波的遮擋，提高環(huán)形輔助壓電片接收信號的強(qiáng)度。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步的方案是:環(huán)形安裝槽3內(nèi)開設(shè)第二引線孔11，第二引線孔11內(nèi)設(shè)置第二導(dǎo)線，第二導(dǎo)線一端穿過封膠層9位于外殼I外部。
[0013]本發(fā)明優(yōu)選的方案是:所述圓形主壓電片7和環(huán)形輔壓電片5均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料制成。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選方案是:圓形主壓電片7是圓餅形，環(huán)形輔壓電片5是環(huán)餅形，圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片平行同軸安裝，相互之間距離(N+x)倍介質(zhì)最小聲波波長，這種形狀和安裝方式使邊角效應(yīng)減至最小，使聲波發(fā)射與接收對稱均勻，進(jìn)一步保證測量精度。
[0015]本發(fā)明所述圓形主壓電片7的中心線與環(huán)形輔壓電片5的中心線為同一中心線。它能進(jìn)一步保證圓形主壓電片7、環(huán)形輔壓電片5兩個(gè)壓電片在空間上呈相互平行狀態(tài)，產(chǎn)生的聲程準(zhǔn)確，并在聲波傳播方向上相差一個(gè)固定距離，進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確性。
[0016]本發(fā)明所述主壓電密封聲阻抗匹配層8的上表面與輔壓電密封聲阻抗匹配層6間設(shè)置固定距離。這個(gè)距離是圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片之間的聲程差，取波長的(N+x)倍，其中N取整數(shù)，X為0-1之間的小數(shù)，最佳方案是N=O，X取0.6-0.8。例如:假設(shè)超聲波頻率選擇150KHZ，如果被測介質(zhì)的最小波長為2.5mm，那么主輔聲程差可以選擇為:1.5 - 2mm。
[0017]本發(fā)明所述換能器，使用時(shí)將兩個(gè)本發(fā)明換能器分別安裝在流速屏蔽管的兩端，或者一端采用現(xiàn)有技術(shù)中的換能器，使換能器上的兩個(gè)圓形主壓電片面向管道內(nèi)側(cè)，其中一側(cè)換能器的圓形主壓電片與對側(cè)換能器的圓形主電片之間產(chǎn)生主聲程，與環(huán)形輔壓電片之間形成輔助聲程，主聲程和輔聲程之間存在聲程差，也就是換能器上圓形主壓片和環(huán)形輔壓電片之間的距離差，采用測量圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片之間的信號時(shí)間差，然后再根據(jù)主、輔壓電片之間的聲程差計(jì)算出被測介質(zhì)的靜止聲速，然后再根據(jù)兩個(gè)換能器之間圓形主壓電片之間測量得到沿介質(zhì)流動方向正反傳播的超聲波時(shí)間差，再根據(jù)介質(zhì)的靜止聲速算出介質(zhì)流動速度，從而完成氣體流量的測量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:包括外殼(1)，外殼(I)上設(shè)置環(huán)形凸臺(14)，環(huán)形凸臺(14)上開設(shè)圓形槽(4)，環(huán)形凸臺(14)外壁處開設(shè)環(huán)形安裝槽(3)，環(huán)形安裝槽(3)內(nèi)安裝環(huán)形輔壓電片(5)，環(huán)形輔壓電片(5)的上表面設(shè)置輔壓電密封聲阻抗匹配層(6)，圓形槽(4)內(nèi)安裝圓形主壓電片(7)，圓形主壓電片(7)的上表面設(shè)置主壓電密封聲阻抗匹配層(8)，環(huán)形輔壓電片(5)的內(nèi)徑大于圓形主壓電片(7)的直徑，圓形主壓電片(7)與環(huán)形輔壓電片(5)在垂直方向設(shè)置固定距離，環(huán)形凸臺(14)中部開設(shè)第一引線孔(10)，第一引線孔(10)內(nèi)設(shè)置第一導(dǎo)線(13)，第一導(dǎo)線(13)穿過外殼(I)位于外殼(I)外部，外殼(I)下部填充封膠層(9)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:環(huán)形凸臺(14)的上邊沿高于外殼(I)的上邊沿，環(huán)形凸臺(14)上部外表面為圓錐面(12)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:所述圓錐面(12)的底端與外殼(I)的上邊沿位于同一平面內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:環(huán)形安裝槽(3)內(nèi)開設(shè)第二引線孔(11)，第二引線孔(11)內(nèi)設(shè)置第二導(dǎo)線，第二導(dǎo)線一端穿過封膠層(9)位于外殼(I)外部。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:所述圓形主壓電片(7)和環(huán)形輔壓電片(5)均由壓電晶體材料或者壓電陶瓷材料制成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:圓形主壓電片(7)的中心線與環(huán)形輔壓電片(5)的中心線為同一中心線。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:主壓電密封聲阻抗匹配層(8)的上表面與輔壓電密封聲阻抗匹配層(6)間設(shè)置固定距離。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙聲程雙壓電片超聲波換能器，其特征在于:圓形主壓電片(7)是圓餅形，環(huán)形輔壓電片(5)是環(huán)餅形，圓形主壓電片和環(huán)形輔壓電片平行同軸安裝。
【文檔編號】G01F1/66GK105973325SQ201610432801
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】王燕
【申請人】濟(jì)南新盛電子科技有限公司