一種流量計用超聲波傳感器的製造方法
2023-12-05 05:15:16 5
一種流量計用超聲波傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種流量計用超聲波傳感器，包括由壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊共同組成的壓電元件、殼體、底座、發聲面接地電極、側面接地電極、背面接地電極、驅動電極、接地電極引線、驅動電極引線、接地電極端子、驅動電極端子。其中工作原理是在規定截面積的流體流路上下遊分別安裝一個超聲波傳感器，上下遊超聲波傳感器一個發出超聲波、一個接收超聲波，交替工作，超聲波在順逆兩向傳輸時與流體速度有疊加，這樣順逆兩向超聲波傳播時間就存在時間差，依次可以計算流體流速。本發明與現有技術相比，通過調整壓電元件輸出超聲波的強度分布，改善超聲波接收感度特性的非對稱性，可以提高超聲波流量計視察信號的信噪比（S/N），提高流量測量的精確度。
【專利說明】一種流量計用超聲波傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波傳感器，具體地講是一種流量計用超聲波傳感器。
【背景技術】
[0002]眾所周知，超聲波流量計是測量氣體、液體等流體流量的裝置，而超聲波傳感器是超聲波流量計的關鍵件之一。當採用時差法測量流體流速時，其中工作原理是在規定截面積的流體流路上下遊分別安裝一個超聲波傳感器，上下遊超聲波傳感器一個發射超聲波、一個接收超聲波，交替工作，超聲波在順逆兩向傳輸時，其傳播速度與流體速度有疊加，這樣順逆兩向超聲波傳播時間就存在時間差，依此可以計算流體流速，進而得出流量值。
[0003]圖1、圖2表示的是目前採用超聲波傳感器測量流速的工作原理。圖5是現有技術超聲波傳感器說明圖。圖1、圖2中,超聲波傳感器某一點發出的速度為c的超聲波以一定指向角Θ發射，超聲波呈圓盤狀向超聲波接收側發射，且圓盤狀的截面積由小到大。圖1與圖2的區別在於，圖1中超聲波發聲方向與流體流速方向一致(順向)，圖2中超聲波發聲方向與流體流速方向相反(逆向)。由圖1、圖2可知,無論流體流速方向與超聲波方向是否一致，超聲波到達接收側的時間都會存在一個時間差，即，因為存在指向角Θ，所以沿中心線方向的超聲波到達時間要短於超聲波到達周邊區域的時間，且順向時間差大於逆向時間差，層流狀態比紊流狀態明顯。
[0004]這樣，就存在以下兩個問題:
(1)超聲波傳感器的作用是將機械能轉換為電能，也就是說將脈衝形式存在的超聲波信號轉換成電脈衝信號，接收的能量不夠集中、主要是中心部位與周邊部位存在接收信號強度的差異，所以，傳感器存在接收信號強度的非均勻性，就會降低接收信號的信噪比；
(2)順、逆兩向雖然都存在非均勻性，但是順、逆兩向的非均勻性不一致，這就產生了兩個傳感器接收信號強度的非對稱性，直接影響信號發生電路與信號接收電路處理信號的效果O
[0005]圖3是順逆兩向接收信號強度非對稱性與非均勻性的說明圖，直線表示接收信號時間差與流體流速之間的關係，曲線表示接收信號強度與流體流速之間的關係。從圖3的直線可以看出其物理意義是，最左側表明超聲波到達接收面的時間差最小，最右側表明超聲波到達接收面的時間差最大。從圖3中的曲線可以看出其物理意義是，最左側表明超聲波接收面接收信號強度最大，最右側表明超聲波接收面接收信號強度最小。
[0006]以上流量計用超聲波傳感器的缺點是，接收側超聲波傳感器接收到的超聲波信號強度不均勻，順逆兩向分別接收超聲波信號時，兩個超聲波傳感器接收到的信號不對稱。不均勻會導致信噪比降低，不對稱會增加信號處理電路的負擔，這兩個問題都直接影響到流量測量的精確度。
【發明內容】
[0007]本發明的技術任務是提供一種提高接收信號對稱性與均勻性，改善超聲波信號信噪比，進而提高流量計檢測精確度的一種新型超聲波傳感器。
[0008]本發明的技術任務是按以下方式實現的。
[0009]一種流量計用超聲波傳感器，包括壓電元件、殼體、底座、粘接層、緩衝層、接地電極、驅動電極、接地電極引線、驅動電極引線、接地電極端子、驅動電極端子；所述底座上設有殼體,底座與殼體之間形成腔體,腔體內部、從底座至殼體順次設有緩衝層、表面設有驅動電極與接地電極的壓電元件、粘結層；驅動電極端子經驅動電極引線與驅動電極相連，驅動電極端子穿透出底座並與底座成一體的結構；接地電極端子經接地電極引線與接地電極相連，接地電極端子穿透出底座並與底座成一體的結構；其特徵在於壓電元件整體呈圓盤狀，壓電元件包括圓環狀的壓電元件模塊和其內側圓盤狀的虛擬壓電元件模塊。
[0010]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於驅動電極印刷在壓電元件的背面；接地電極為彎折狀，分為連為一體的發聲面接地電極、背面接地電極、側面接地電極，發聲面接地電極印刷在壓電元件的發聲側，背面接地電極印刷在壓電元件的背面、位於驅動電極的同一個面，側面接地電極印刷在壓電元件的側底面。
[0011]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於接地電極端子經接地電極引線與接地電極的背面接地電極相連。
[0012]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於壓電元件中間位置的圓盤形虛擬壓電元件模塊為無壓電效應的圓盤形虛擬壓電元件模塊；壓電元件周邊位置的圓環狀的壓電元件模塊為有壓電效應的壓電元件模塊。
[0013]一種流量計用 超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊由同一種壓電陶瓷材料做成。
[0014]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊由不同的壓電陶瓷材料做成。
[0015]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊的厚度相同或者壓電元件模塊的厚度大於虛擬壓電元件模塊的厚度。
[0016]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊是相互獨立的模塊，之間有間隙，間隙內設置有填充材料。
[0017]一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊為同一模塊，之間不設填充物。
[0018]圖11表示的是流體在不同速度段表現出的層流與紊流分布速度規律。r為軸心線流速，即流體最大流速，「表示面流速。兩者之間的關係為:
層流:v/v= 0.5
紊流:V Zv= 0.75-0.9
為便於敘述我們以特徵更為明顯的層流為例，兩個超聲波傳感器間距為人
[0019]順流方向傳播時，波在中間傳播的時間為，沿^萬向傳播的時間為，則:
【權利要求】
1.一種流量計用超聲波傳感器，包括壓電元件、殼體、底座、粘接層、緩衝層、接地電極、驅動電極、接地電極引線、驅動電極引線、接地電極端子、驅動電極端子；所述底座上設有殼體，底座與殼體之間形成腔體，腔體內部、從底座至殼體順次設有緩衝層、表面設有驅動電極與接地電極的壓電元件、粘結層；驅動電極端子經驅動電極弓丨線與驅動電極相連，驅動電極端子穿透出底座並與底座成一體的結構；接地電極端子經接地電極引線與接地電極相連，接地電極端子穿透出底座並與底座成一體的結構；其特徵在於壓電元件整體呈圓盤狀，壓電元件包括圓環狀的壓電元件模塊和其內側圓盤狀的虛擬壓電元件模塊。
2.根據權利要求1所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於驅動電極印刷在壓電元件的背面；接地電極為彎折狀，分為連為一體的發聲面接地電極、背面接地電極、側面接地電極，發聲面接地電極印刷在壓電元件的發聲側，背面接地電極印刷在壓電元件的背面、位於驅動電極的同一個面，側面接地電極印刷在壓電元件的側面。
3.根據權利要求2所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於接地電極端子經接地電極弓丨線與接地電極的背面接地電極相連。
4.根據權利要求2所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於壓電元件中間位置的圓盤形虛擬壓電元件模塊為無壓電效應的圓盤形虛擬壓電元件模塊；壓電元件周邊位置的圓環狀的壓電元件模塊為有壓電效應的壓電元件模塊。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊由同一種壓電陶瓷材料做成。
6.根據權利要求1、2、3或4所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊由不同的壓電陶瓷材料做成。
7.根據權利要求5或6所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊的厚度相同或者壓電元件模塊的厚度大於虛擬壓電元件模塊的厚度。
8.根據權利要求7所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊是相互獨立的模塊，之間有間隙，間隙內設置有填充材料。
9.根據權利要求7所述的一種流量計用超聲波傳感器，其特徵在於組成壓電元件的壓電元件模塊與虛擬壓電元件模塊為同一模塊，之間不設填充物。
【文檔編號】G01F15/00GK103776497SQ201410037294
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】王翥, 佟曉筠, 佟少強, 郭茂林 申請人:王翥