[发明专利]超声波传感器、制造超声波传感器的方法及超声波流量计

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及一种发射和接收超声波的超声波传感器，和制造该超声波传感器的方法以及使用该超声波传感器的超声波流量计。

现有技术描述

近年来，测量超声波通过传播途径的行进时间进而确定流体的流经速度从而测量流量的超声波流量计作为气体流量计等已经开始使用。

图1示出了一种超声波流量计的测量原理。如图1所述，一种流体在一管内沿箭头所示方向以速度V流动。一对超声波传感器101和102彼此相对地安装在管壁103上。超声波传感器101和102分别由压电振动器构成，比如压电陶瓷制品，作为电能/机械能的转换部件。这里超声波传感器101用作一超声波发射器，而超声波传感器102用作一超声波接收器。

其操作如下。将频率接近于超声波传感器101的共振频率的交流电压加到压电振动器上，超声波传感器101向一外部流体沿由图1中L1指示的传播路径发射一超声波。而后，超声波传感器102接收传播来的超声波，并将其转换为一电压。随后，超声波传感器102用作一超声波发射器，而超声波传感器101用作一超声波接收器。将频率接近于超声波传感器102的共振频率的交流电压加到压电振动器上，超声波传感器102向该外部流体沿由图1中L2指示的传播路径发射一超声波。而后，超声波传感器101接收传播来的超声波，并将其转换为一电压。

对于这样一超声波传感器，如果接连地向其施加一交流电压，则就会不断地有超声波从超声波传感器发射出。因此很难确定行进时间。为此，通常使用脉冲信号作为载波的突发电压信号被用作驱动电压。下面将更详细地描述测量原理。将用于驱动的突发电压信号加到超声波传感器101上，从超声波传感器101发射出一超声波脉冲波。该超声波脉冲波通过长度为L的传播路径L1传播，t小时(行进时间)后到达超声波传感器102。对于超声波传感器102该被传播的超声波脉冲波能够以高S/N比率被转换为电突发信号。通过利用电突发信号作为一触发信号，超声波传感器101被再次驱动以发射一超声波突发信号。该装置被称为往复装置。从超声波传感器101发射出一超声波脉冲并通过传播路径传播至达到超声波传感器102所需的时间被称为往复时间。其倒数称为往复频率。

图1中，标记V表示流体流经该管的流速，C表示流体内的超声波的速度，θ表示流体的流动方向与超声波脉冲的传播方向之间的夹角。当超声波传感器101作为一发射器，超声波传感器102作为一接收器时，存在下面的等式(1)：

f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L…(1)

其中t1代表往复时间，即超声波脉冲从超声波传感器101发射出至到达超声波传感器102的时间，f1代表往复频率。

相反，当超声波传感器102作为发射器，而超声波传感器101作为接收器时，存在下面的等式(2)：

f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(2)

其中t2代表往复时间，f2代表往复频率。

因而两个往复频率之间的频率差Δf可由下面的等式(3)表示出，这样流体的流速V可通过超声波的传播路径的长度L而得出，频率差Δf为：

Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L…(3)

也就是，可以从超声波的传播路径的长度L和频率差Δf得知流体的流动速度V。因而有可能从流速V而确定流量。

这样的超声波流量计需要具有高的精确度。为了提高其精确度，匹配层的声音阻抗变得相当重要，该匹配层形成在压电振动器的超声波发射和接收表面上，而该压电振动器构成向一种气体发射超声波或接收通过该气体传播的超声波的超声波传感器。用于产生超声波振动的压电振动器的声音阻抗大约为30×10⁶。空气的声音阻抗大约为400。声音匹配层的理想的声音阻抗为大约0.11×10⁶。而且，声音阻抗由下面的等式(4)定义：

声音阻抗＝(密度)×(音速)

因此，低密度材料比如用一种树脂材料凝固一玻璃球或一塑胶球所得到的材料被用来作为声音匹配层，以将声音阻抗控制在一低的值。另外，还采取这样的方法，将一中空的玻璃球热压缩，使熔化的材料起泡沫等。在日本专利出版物N0.2559144中公开了这样的方法。