一種超聲波換能器裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超聲波換能器裝置，包括兩個曲柄臂、曲柄彈簧、兩個超聲波換能器，兩個曲柄臂的中部設有轉(zhuǎn)軸，兩個曲柄臂以轉(zhuǎn)軸分為左右兩部分，曲柄彈簧設在兩個曲柄臂的右半部分之間；兩個曲柄臂的左端均連接一個超聲波換能器，兩個超聲波換能器按上、下位置設置，分別為上超聲波換能器和下超聲波換能器，上、下超聲波換能器對稱設置；本實用新型可依據(jù)內(nèi)冷水水管管徑的大小任意調(diào)節(jié)，能夠更好的接觸水管，能更牢靠地固定使之不隨測試管道的振動及外界條件的改變而活動，不容易發(fā)生打滑造成超聲波信號強度衰減甚至丟失的情況。
【專利說明】一種超聲波換能器裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及到對液體流量進行測量的試驗裝置，特別是涉及到對發(fā)電機定子繞組內(nèi)冷水流量進行測量的試驗裝置。
【背景技術】
[0002]目前國內(nèi)廠家所制造的超聲換能器底部接觸面均為平面，這對于測量接觸面較大、較為平滑、曲率較小的管道信號強度較好，能較快速準確的測量數(shù)據(jù)。但在測量發(fā)電機內(nèi)冷水流量現(xiàn)場試驗中，發(fā)電機定子繞組內(nèi)冷水水管管徑較細，水管外表面較光滑，內(nèi)冷水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構緊湊且復雜，需要工作人員雙手持超聲換能器對夾在被測量水管兩側(cè)。由于人為因素或環(huán)境因素造成超聲換能器在管壁上打滑，或者在換能器接觸面涂抹的耦合劑不均勻，容易造成測量信號強度衰減嚴重，信號中途丟失，測量數(shù)據(jù)過程十分緩慢甚至數(shù)據(jù)丟失。另外，發(fā)電機出線端子箱內(nèi)空間狹窄，箱內(nèi)水管多呈弧形，水管的平直部分較短，不方便設置換能器信號采集位置，這在現(xiàn)場實際測量中均不可避免。由于測量的關鍵在于超聲波換能器能夠準確而又穩(wěn)定的傳遞傳聲波信號，但是就目前來看，國內(nèi)外有關超聲波換能器裝置中海沒有一種裝置能夠通過自行良好的固定與接觸實現(xiàn)信號的穩(wěn)定傳遞，這給試驗人員的使用造成了較為嚴重的干擾。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的在于提供一種用于測量發(fā)電機定子繞組內(nèi)冷水流量的超聲波換能器裝置，它可依據(jù)水管管徑的大小任意調(diào)節(jié)，能更牢靠地固定使之不隨測試管道的振動及外界條件的改變而活動，能更加有效地收集超聲波反射信號，能夠更快地達到信號和傳輸比最好的匹配。
[0004]本實用新型的技術方案是:
[0005]一種超聲波換能器裝置，包括兩個曲柄臂、曲柄彈簧、兩個超聲波換能器，兩個曲柄臂的中部設有轉(zhuǎn)軸，兩個曲柄臂以轉(zhuǎn)軸分為左右兩部分，曲柄彈簧設在兩個曲柄臂的右半部分之間；兩個曲柄臂的左端均連接一個超聲波換能器，兩個超聲波換能器按上、下位置設置，分別為上超聲波換能器和下超聲波換能器，上、下超聲波換能器對稱設置；超聲波換能器包括殼體和位于殼體內(nèi)的若干個換能器單元，換能器單元包括壓電晶片、透聲斜楔、壓縮彈簧，透聲斜楔的底面為弧形面，換能器單元的弧形面朝向內(nèi)側(cè)且沿圓周方向分布，上、下超聲波換能器上的透聲斜楔的弧形面關于中心對稱；壓電晶片與透聲斜楔之間設有阻抗匹配層；透聲斜楔的上側(cè)橫截面形狀為三角形，壓電晶片位于透聲斜楔后側(cè)，壓縮彈簧位于透聲斜楔的前側(cè)且頂靠在透聲斜楔的前側(cè)，壓縮彈簧的上端頂靠在殼體內(nèi)側(cè)，壓縮彈簧與超聲波縱波方向相垂直，所述壓電晶片和殼體之間還填充有背襯材料，壓電晶片后側(cè)通過電纜連接有高壓脈沖發(fā)生器回路。
[0006]透聲斜楔數(shù)量為三個，三個透聲斜楔等距對稱排列，在壓靠在三個透聲斜楔上的壓縮彈簧壓縮最大時，三個透聲斜楔之間設有間距。[0007]包括曲柄套，超聲波換能器和曲柄臂通過曲柄套連接。
[0008]曲柄套的延伸方向與上超聲波換能器、下超聲波換能器的對稱中心線垂直。
[0009]所述壓電晶片為薄圓片型，采用鋯鈦酸鉛材料。
[0010]所述透聲斜楔的底面弧形面的曲率半徑為15_。
[0011]所述阻抗匹配層的匹配元件為電感。
[0012]所述阻抗匹配層的厚度值為I / 4超聲波波長。
[0013]所述背襯材料為硅膠或環(huán)氧樹脂。
[0014]所述殼體為鋁質(zhì)材料。
[0015]本實用新型為用于測量發(fā)電機定子繞組內(nèi)冷水流量的新型超聲波換能器，其有益效果是:
[0016](I)本實用新型可依據(jù)內(nèi)冷水水管管徑的大小任意調(diào)節(jié)，能夠更好的接觸水管，能更牢靠地固定使之不隨測試管道的振動及外界條件的改變而活動，不容易發(fā)生打滑造成超聲波信號強度衰減甚至丟失的情況。
[0017](2) 3只并列排放布置的壓電晶片與透聲斜楔組合結(jié)構方式能更加有效的收集超聲波反射信號，超聲換能器能夠更快的達到信號和傳輸比最好的匹配。
[0018](3)在使用黏合劑時，可使超聲換能器接觸面與水管外表面之間更加均勻，更好地排除空氣的影響，提高超聲波的穿透能力。它將有助于試驗人員能夠更快更準確的測出發(fā)電機定子繞組內(nèi)冷水流量的數(shù)值。
[0019](4)超聲換能器后側(cè)固定曲柄可以使換能器固定在內(nèi)冷水管上，大量節(jié)省了試驗人員的工作量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型的結(jié)構示意圖；
[0021]圖2是上超聲波換能器的結(jié)構示意圖；
[0022]圖3是換能器單元的結(jié)構示意圖；
[0023]圖4是本實用新型用于管徑較小(約為15mm)的第一水管時的結(jié)構示意圖；
[0024]圖5是本實用新型用于管徑較大(約為30_)的第二水管時的結(jié)構示意圖；
[0025]圖6是時差法測量流體流量的原理圖；
[0026]圖7是超聲換能器探頭底部為平面的結(jié)構不意圖；
[0027]圖8是用本實用新型測試時的原理圖；
[0028]圖9是超聲換能器探頭底部為弧形面的結(jié)構不意圖；
[0029]圖10是超聲波發(fā)射電路結(jié)構圖，圖中P表示壓電晶片。
[0030]圖中標號:1壓電晶片，2透聲斜楔，3壓縮彈簧，4背襯材料，5電纜，6鋁制殼體，7曲柄套，8曲柄臂，9曲柄彈簧，10阻抗匹配層，11管徑較小(約為15_)的第一水管，12管徑較大(約為30mm)的第二水管，13上超聲波換能器，14下超聲波換能器，15轉(zhuǎn)軸，16換能器單元。
【具體實施方式】
[0031]如圖1、2、3所示，本實用新型包括兩個曲柄臂8、曲柄彈簧9、上超聲波換能器13、下超聲波換能器14，兩個曲柄臂8的中部設有轉(zhuǎn)軸15，兩個曲柄臂8繞轉(zhuǎn)軸15相對開合，用于復位的曲柄彈簧9位于兩個曲柄臂8的右半部分之間。兩個曲柄臂8的左端分別連接兩個曲柄套7，兩個曲柄套7分別連接上超聲波換能器13、下超聲波換能器14，上超聲波換能器13、下超聲波換能器14結(jié)構相同且關于中心線對稱設置。上超聲波換能器13包括三個換能器單元16，換能器單元16包括壓電晶片1、透聲斜楔2、壓縮彈簧3。
[0032]壓電晶片I采用鋯鈦酸鉛材料，壓電晶片I為薄圓片型，沿厚度方向振動，產(chǎn)生的超聲波為縱波。
[0033]壓電晶片I以合適的角度放入透聲斜楔2后側(cè)，壓電晶片I與透聲斜楔2之間有阻抗匹配層15，阻抗匹配層15的匹配元件為電感，可以改善發(fā)射、接收電路與壓電換能器晶片之間的機電耦合性能，阻抗匹配層15的厚度為I / 4超聲波波長，可以實現(xiàn)換能器壓電晶片I和透聲斜楔2之間的聲阻抗過渡。
[0034]透聲斜楔2采用有機玻璃或橡膠材料，透聲斜楔2的上側(cè)橫截面形狀為三角形，底部呈弧形，弧形的曲率半徑選擇較大內(nèi)冷水水管半徑值約為15mm,透聲斜楔2前端有一個壓縮彈簧3，壓縮彈簧3與超聲波縱波方向相垂直，可使超聲波換能器10隨水管管徑的大小改變而進行伸縮調(diào)節(jié)，由于彈簧3對透聲斜楔2的作用力與超聲波的方向相垂直，因此互不干擾，對測量數(shù)據(jù)沒有影響。
[0035]壓電晶片I填充的背襯材料4選用硅膠或環(huán)氧樹脂，為高阻抗、高衰減的吸聲材料，背襯材料4中可摻加顆粒度較大的鎢粉，使背襯具有較高聲阻抗，增加背襯阻尼，可以吸收壓電換能器晶片背面輻射的超聲波并將其轉(zhuǎn)換為熱能，減小背面輻射產(chǎn)生的干擾。壓電晶片I后側(cè)通過電纜5連接高壓脈沖發(fā)生器回路。整個超聲波換能器使用鋁制殼體6包裹。電纜5可采用三芯同軸線，在背襯材料4模塊后側(cè)引出，匯集在曲柄套7內(nèi)部。曲柄套7采用鋁制，通過螺絲固定在鋁制殼體6后側(cè)，連接曲柄臂8。
[0036]曲柄臂8為內(nèi)有空腔的硬塑料，方便電纜5通過曲柄臂8連入流量計測量儀中，曲柄臂8后固定一個曲柄彈簧9，使整個超聲換能器固定在水管上穩(wěn)定的采集信號。
[0037]三個透聲斜楔2呈等距對稱排列，且在壓縮彈簧3壓縮最大時，三個透聲斜楔2可達到有效結(jié)合但又彼此之間互無接觸。
[0038]曲柄套7應該通過螺絲固定在鋁制殼體6后側(cè)，測量時應不受水管縫隙的空間影響，與被測量水管是水平垂直。
[0039]曲柄彈簧9伸縮方向應始終保持與壓電晶片I相垂直，即與壓電晶片I所產(chǎn)生超聲波方向平行，超聲波換能器10隨管徑的變化只能沿超聲波軌跡方向平移，做到壓電晶片I始終能正確的發(fā)射和接收到超聲波信號。
[0040]如圖6所示，時差法測量流體流量的原理是利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點來計算流體流動的速度和流量。
[0041]設靜止流體中聲速為C，流體流動速度為V，把上超聲波換能器13、下超聲波換能器14安裝在水管管子的兩側(cè)，兩換能器軸向距離為d，其連線與管渠軸線安裝成Θ角，換能器的距離為L。
[0042]從Al到A2順流發(fā)射時，聲波的傳播時間tl為:
[0043]① tl=L/ (c+vcos θ )；
[0044]從Α2到Al逆流發(fā)射時，聲波的傳播時間t2為:[0045]②t2=L/ (c-vcos θ )；
[0046]—般c?v，則時差為:
[0047]③Δ t=tl_t2=2Lvcos Θ /c2 ；
[0048]根據(jù)式(3)可求出速度V:
[0049]④V=L2(tl_t2)/2dtlt2 ;
[0050]如圖7所示，把超聲換能器探頭底部接觸面設計成平面。
[0051]如圖8、9所示，如果把超聲換能器探頭底部接觸面設計成弧形，換能器工作時發(fā)射超聲波和接受超聲波時情況。設靜止流體中聲速為C，流體流動速度為V，把上超聲波換能器13、下超聲波換能器14安裝在管子的兩側(cè)，兩換能器軸向距離為d’，其連線與管渠軸線安裝成Θ’角，換能器的距離為L’。
[0052]從上超聲波換能器13到下超聲波換能器14順流發(fā)射時，聲波的傳播時間t’ I為:
[0053]⑤t，1=L，/ (c+vcos θ，)；
[0054]從A2到Al逆流發(fā)射時，聲波的傳播時間t’ 2為:
[0055]⑥t，2=L，/ (c-vcos θ，)；
[0056]一般c?v，則時差為:
[0057]⑦Δ t，=t，l_t，2=2L，vcos Θ，/c2 ;
[0058]根據(jù)式(3)可求出速度v’:`
[0059]⑧V，=L，2 (t，1-t，2) /2d，t，It，2 ；
[0060]對比兩種超聲波換能器的工作情況，在超聲換能器在內(nèi)冷水管外布置位置完全相同時，L=L’，以內(nèi)冷水管圓心為中心旋轉(zhuǎn)超聲波L’，在超聲波換能器接觸面范圍內(nèi)無論如何旋轉(zhuǎn)，流體流速V與L’的夾角始終為θ，β卩θ’ = θ，則由式⑤~式⑧可知，對于新型超聲波換能器，測量流體流速時不受到影響，與接觸面為平面時的情況一致，即At’=At&v=v’。
[0061]如圖10所示，超聲波發(fā)射電路結(jié)構圖，在超聲波發(fā)射電路中3個壓電晶片I并聯(lián)連接后與高壓脈沖發(fā)生器相連接。算法采用取三組信號的算術平均值，即V’’ =(vl+v2+v3+...νη) /η。
[0062]實施例:
[0063]如圖4、5所示，首先把耦合劑均勻地涂抹在三個透聲斜楔2的弧形底面上，通過曲柄臂8把超聲波換能器10的固定在內(nèi)冷水管-第一水管11或第二水管12位置上。根據(jù)第一水管11或第二水管12的管徑大小，超聲波換能器10內(nèi)的三個透聲斜楔2位置可進行相應的調(diào)整，但始終保持著與第一水管11或第二水管12管壁曲面最大程度的接觸。最后接通電源，開啟流量計裝置進行試驗。
[0064]上述【具體實施方式】用來說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本實用新型作出的任何修改和變更，都落入本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種超聲波換能器裝置，其特征在于:包括兩個曲柄臂、曲柄彈簧、兩個超聲波換能器，兩個曲柄臂的中部設有轉(zhuǎn)軸，兩個曲柄臂以轉(zhuǎn)軸分為左右兩部分，曲柄彈簧設在兩個曲柄臂的右半部分之間；兩個曲柄臂的左端均連接一個超聲波換能器，兩個超聲波換能器按上、下位置設置，分別為上超聲波換能器和下超聲波換能器，上、下超聲波換能器對稱設置；超聲波換能器包括殼體和位于殼體內(nèi)的若干個換能器單元，換能器單元包括壓電晶片、透聲斜楔、壓縮彈簧，透聲斜楔的底面為弧形面，換能器單元的弧形面朝向內(nèi)側(cè)且沿圓周方向分布，上、下超聲波換能器上的透聲斜楔的弧形面關于中心對稱；壓電晶片與透聲斜楔之間設有阻抗匹配層；透聲斜楔的上側(cè)橫截面形狀為三角形，壓電晶片位于透聲斜楔后側(cè)，壓縮彈簧位于透聲斜楔的前側(cè)且頂靠在透聲斜楔的前側(cè)，壓縮彈簧的上端頂靠在殼體內(nèi)側(cè)，壓縮彈簧與超聲波縱波方向相垂直，所述壓電晶片和殼體之間還填充有背襯材料，壓電晶片后側(cè)通過電纜連接有高壓脈沖發(fā)生器回路。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:透聲斜楔數(shù)量為三個，三個透聲斜楔等距對稱排列，在壓靠在三個透聲斜楔上的壓縮彈簧壓縮最大時，三個透聲斜楔之間設有間距。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:包括曲柄套，超聲波換能器和曲柄臂通過曲柄套連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:曲柄套的延伸方向與上超聲波換能器、下超聲波換能器的對稱中心線垂直。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:所述壓電晶片為薄圓片型，采用鋯鈦酸鉛材料。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:所述透聲斜楔的底面弧形面的曲率半徑為15mm。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:所述阻抗匹配層的匹配元件為電感。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:所述阻抗匹配層的厚度值為I / 4超聲波波長。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:所述背襯材料為硅膠或環(huán)氧樹脂。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波換能器裝置，其特征在于:所述殼體為鋁質(zhì)材料。
【文檔編號】B06B1/06GK203587152SQ201320771864
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月30日 優(yōu)先權日:2013年11月30日
【發(fā)明者】郭磊, 袁路, 丁國君, 董曼玲, 張曉鵬, 張少鋒, 龐鍇, 陳瑞, 樊東方, 李曉綱, 李予全, 董麗潔 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院