一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及超聲波流量計(jì)，尤其涉及一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖的作用來(lái)測(cè)量流量的儀表，其結(jié)構(gòu)主要包含測(cè)量管道、超聲傳感器、電路模塊、測(cè)流算法等部分。超聲波流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)，可用于各種液體和氣體管道內(nèi)流速及流量的檢測(cè)。
[0004]超聲換能器是超聲波流量計(jì)的核心部件，其功能是實(shí)現(xiàn)電聲能量的轉(zhuǎn)換。在大多數(shù)超聲流量計(jì)結(jié)構(gòu)中，換能器通常為配對(duì)使用，每個(gè)傳感器均需要在特點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行發(fā)射或接收，因此，流量計(jì)中所用換能器多為收發(fā)合置。根據(jù)所測(cè)流體介質(zhì)的特性及溫度、壓強(qiáng)等環(huán)境因素的不同，超聲換能器輻射面可直接與流體接觸，或透過(guò)管壁進(jìn)行聲輻射。對(duì)于高溫、高壓及腐蝕性等特殊流體環(huán)境，則通常采用換能器外置的方式來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
[0005]目前換能器外置的方式多采用夾持安裝的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常將超聲換能器通過(guò)外力將其與管壁的特定位置壓緊，中間填充耦合劑，來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的聲發(fā)射。該結(jié)構(gòu)形式由于個(gè)體安裝中施加壓強(qiáng)的差別，會(huì)影響配對(duì)器件的一致性，從而影響流量計(jì)的測(cè)量精度。另外，雖然輻射面與管壁之間涂抹耦合劑的方式可在一定程度上增加聲波透射效率，但是耦合劑在換能器工作時(shí)由于不斷地?cái)D壓會(huì)溢出并揮發(fā)，因此，透聲效率會(huì)逐漸降低，并最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足需求，嚴(yán)重影響流量計(jì)的使用壽命。
[0006]此外，目前所用超聲換能器幾乎全部為單頻點(diǎn)工作，對(duì)于特定的應(yīng)用環(huán)境，較高的工作頻率是高精度測(cè)量的保證，然而高頻工作時(shí)超聲波在各傳輸層之間以及流體中傳播損耗大，如要保證足夠大的信噪比則需要大功率發(fā)射；工作頻率較低時(shí)，雖然可在小電壓下實(shí)現(xiàn)高信噪比，但是由于單位時(shí)間內(nèi)傳播周期個(gè)數(shù)減小，難以實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量。
[0007]針對(duì)上述存在的問(wèn)題，迫切需要一種性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來(lái)代替當(dāng)前的安裝方式，并且采用一種多頻點(diǎn)工作的超聲換能器來(lái)代替目前的單一模式，從而為實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)工作的流量計(jì)提供技術(shù)支持。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于怎樣解決超聲傳感器安裝麻煩，使用不方便，穩(wěn)定性差的問(wèn)題，提供一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)。
[0010]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的:一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括兩端封閉的管道，在管道的兩端分別開(kāi)設(shè)有一凹槽，所述凹槽的軸心線與管道的軸心線重合；在凹槽內(nèi)沿其軸向設(shè)有兩層換能元件以及三層金屬電極片，其中，換能元件與金屬電極片交替分布并緊貼在一起，三層金屬電極片分別與一導(dǎo)線相連；在換能元件和金屬電極片外側(cè)設(shè)有繞換能元件和金屬電極片一周的去耦層；所述換能元件、金屬電極片以及去耦層由灌封層密封在凹槽內(nèi)；
在管道的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)液管和出液管，所述進(jìn)液管和出液管分布靠近管道的兩端。
[0011]進(jìn)一步地，近凹槽底部的金屬電極片與凹槽底部之間設(shè)有匹配層，所述匹配層將金屬電極片與凹槽底部隔離；在遠(yuǎn)離凹槽底部的金屬電極片上設(shè)有背襯層，所述背襯層將金屬電極片覆蓋。
[0012]進(jìn)一步地，所述進(jìn)液管和出液管分別位于管道相對(duì)的兩側(cè)，且進(jìn)液管和出液管的一端與管道相連通，另一端朝相反的反向傾斜。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將超聲換能單元(換能元件與金屬電極片)與管道集成為一體，使用更加方便，能夠大大提高聲波透射效率，進(jìn)而提高功能元件的振動(dòng)能量傳入管道流體以及對(duì)管道流體中超聲波的接收效率，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合效率，使測(cè)量穩(wěn)定性更好。
[0014]2、在一個(gè)換能器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)多模態(tài)工作，能夠?yàn)榱髁坑?jì)提供高精度、低功耗等多種工作模式選擇，大大提高結(jié)構(gòu)的通用性；該結(jié)構(gòu)能夠工作在徑向諧振和厚度諧振兩種模式，在徑向和厚度諧振兩種模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用不同的加電方式，還可實(shí)現(xiàn)雙層厚度振動(dòng)、雙層徑向振動(dòng)、厚度方向一層擴(kuò)張一層收縮、前端單獨(dú)工作、后端單獨(dú)工作等多種方式，從而實(shí)現(xiàn)了單一結(jié)構(gòu)多種模式工作的設(shè)計(jì)目的。
[0015]3、避免了由于安裝的誤差而造成的對(duì)換能器電聲性能一致性的破壞，以及由于耦合劑的存在而造成的可靠性降低，必將大大延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。
[0016]
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為管道一端的換能結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為對(duì)中間金屬電極片接高電壓，兩端金屬電極片接低電壓時(shí)，換能元件的工作原理圖。
[0020]圖4為對(duì)中間金屬電極片接地，兩端金屬電極片分別施加電量相等的高電壓和低電壓時(shí)，換能元件的工作原理圖。
[0021]圖5、圖6為對(duì)中間金屬電極片接高電壓，前端或后端金屬電極片接低電壓時(shí)，換能元件的工作原理圖。
[0022]其中，圖3—圖6中，箭頭方向?yàn)閾Q能元件振動(dòng)方向圖。
[0023]圖中:1 一管道，2—換能元件，3—金屬電極片，4一去耦層，5—灌封層，6—進(jìn)液管，7—出液管，8—匹配層，9 一背襯層。
[0024]
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例:參見(jiàn)圖1、圖2，一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，包括兩端封閉的管道1，在管道1的兩端分別開(kāi)設(shè)有一凹槽，所述凹槽的軸心線與管道1的軸心線重合。在凹槽內(nèi)沿其軸向設(shè)有兩層換能元件2以及三層金屬電極片3，所述換能元件2是由能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的功能材料制作的元件，主要實(shí)現(xiàn)電學(xué)與聲學(xué)之間的能量轉(zhuǎn)換，并能夠工作在徑向及軸向振動(dòng)模態(tài)；所述金屬電極片3為換能元件2上蒸鍍的金、銀、銅等金屬層，或者由銅箔等金屬制作的片狀結(jié)構(gòu)。其中，換能元件2與金屬電極片3交替分布并緊貼在一起，三層金屬電極片3分別與一導(dǎo)線相連。在換能元件2和金屬電極片3外側(cè)設(shè)有繞換能元件2和金屬電極片3 —周的去耦層4 ;所述去耦層4為軟木橡膠等材料，主要起去耦、吸聲以及將換能元件2和金屬電極片3換能元件2和金屬電極片3定位的作用。所述換能元件2、金屬電極片3以及去耦層4由灌封層5密封在凹槽內(nèi)，該灌封層5采用環(huán)氧樹(shù)脂；從而將換能元件
2、金屬電極片3以及去耦層4固定，并保證氣密性，主要起防水作用。
[0027]近凹槽底部的金屬電極片3與凹槽底部之間設(shè)有匹配層8，所述匹配層8將金屬電極片3與凹槽底部隔離；所述匹配層8為具有特定聲阻抗的絕緣材料，在結(jié)構(gòu)中起聲匹配及絕緣的作用。在遠(yuǎn)離凹槽底部的金屬電極片3上設(shè)有背襯層9，所述背襯層9將金屬電極片3覆蓋；所述背襯層9為由各種吸聲泡沫材料或有機(jī)聚合物與金屬粉末組成的固體混合物，主要起吸聲及防護(hù)作用。
[0028]在管道1的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)液管6和出液管7，所述進(jìn)液管6和出液管7分布靠近管道1的兩端，以將流體進(jìn)行引入和引出，從而進(jìn)行流量測(cè)量。所述進(jìn)液管6和出液管7分別位于管道1相對(duì)的兩側(cè)，且進(jìn)液管6和出液管7的一端與管道1相連通，另一端朝相反的反向傾斜；使用更加方便。
[0029]參見(jiàn)圖3，使用時(shí)，根據(jù)需要將管道1 一端的三根導(dǎo)線與驅(qū)動(dòng)電路相連，另一端的三根導(dǎo)線對(duì)應(yīng)與電壓檢測(cè)電路相連后接入解算模塊；通過(guò)采用不同的加電方式，能夠?qū)崿F(xiàn)多種工作方式，從而實(shí)現(xiàn)多種模式的工作方式:
在發(fā)射端:
1)參見(jiàn)圖3，中間金屬電極片3接高電壓，兩端金屬電極片3接低電壓，此時(shí)，兩層換能元件2實(shí)現(xiàn)朝相反反向軸向(擴(kuò)張)振動(dòng)，推動(dòng)與換能元件2相連接的結(jié)構(gòu)件發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射。
[0030]2)參見(jiàn)圖4，中間金屬電極片3接地，兩端金屬電極片3分別施加電量相等的高電壓和低電壓，這樣，兩層換能元件2實(shí)現(xiàn)一層擴(kuò)張一層收縮，可實(shí)現(xiàn)諧振頻率加倍，并且后端換能元件2的反相振動(dòng)可在一定程度上抵消前端換能元件2的后端發(fā)射，從而削弱后端的回波干擾。
[0031]3)參見(jiàn)圖5和圖6，將中間金屬電極片3接高電壓，前端金屬電極片3接正電壓，后端金屬電極片3置空，或后端金屬電極片3接正電壓前端金屬電極片3置空，實(shí)現(xiàn)前端單獨(dú)工作或后端單獨(dú)工作，通過(guò)這種方式可進(jìn)一步調(diào)節(jié)整體諧振頻率，增加結(jié)構(gòu)的工作模式。
[0032]在接收端:
對(duì)應(yīng)上述各種連接方式，接收狀態(tài)時(shí)，針對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需要將兩層換能元件2的接收信號(hào)進(jìn)行反相疊加。
[0033]最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，那些對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括兩端封閉的管道，在管道的兩端分別開(kāi)設(shè)有一凹槽，所述凹槽的軸心線與管道的軸心線重合；在凹槽內(nèi)沿其軸向設(shè)有兩層換能元件以及三層金屬電極片，其中，換能元件與金屬電極片交替分布并緊貼在一起，三層金屬電極片分別與一導(dǎo)線相連；在換能元件和金屬電極片外側(cè)設(shè)有繞換能元件和金屬電極片一周的去耦層；所述換能元件、金屬電極片以及去耦層由灌封層密封在凹槽內(nèi)； 在管道的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)液管和出液管，所述進(jìn)液管和出液管分布靠近管道的兩端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，其特征在于:在靠近凹槽底部的金屬電極片與凹槽底部之間設(shè)有匹配層，所述匹配層將金屬電極片與凹槽底部隔離；在遠(yuǎn)離凹槽底部的金屬電極片上設(shè)有背襯層，所述背襯層將金屬電極片覆蓋。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述進(jìn)液管和出液管分別位于管道相對(duì)的兩側(cè)，且進(jìn)液管和出液管的一端與管道相連通，另一端朝相反的反向傾斜。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲波流量計(jì)的超聲換能器結(jié)構(gòu)，包括兩端封閉的管道，在管道的兩端分別開(kāi)設(shè)有一凹槽，在凹槽內(nèi)沿其軸向設(shè)有兩層換能元件以及三層金屬電極片，在換能元件和金屬電極片外側(cè)設(shè)有繞換能元件和金屬電極片一周的去耦層；所述換能元件、金屬電極片以及去耦層由灌封層密封在凹槽內(nèi)；在管道的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)液管和出液管，所述進(jìn)液管和出液管分布靠近管道的兩端。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，并且穩(wěn)定性高。
【IPC分類】G01F1/66
【公開(kāi)號(hào)】CN105277242
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510774252
【發(fā)明人】王登攀, 王露, 李宗良, 方鑫, 楊靖, 鄭澤漁
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所
【公開(kāi)日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年11月13日