[发明专利]一种适配超声波对射式流量计的换能器

说明书

本发明隶属传感器技术领域，具体涉及一种适配超声波对射式流量计的换能器，旨在解决现有超声波换能器由于采用薄金属层作为压电陶瓷发声面，易受压力突变而损坏、换能器陶瓷片与保护层的胶层太厚而影响性能及一致性、换能器外壳不能适配超声波小口径对射式流量计等不足，及与超声波换能器技术导则间存在差距；本发明采取对换能器保护层厚度选择及计算阻抗匹配的塑性材料、以环形凹槽容纳焊接点方式获得薄胶层、以新结构适配小口径对射式流量计等，因此可使两个换能器间获得尽可能大的间距；按照超声波流量计量程比R与一对换能器间的有效声程成正比的结论，安装这种换能器可使对射式超声波流量计的量程比最大化，具有较宽的流体计量量程范围。

技术领域

本发明隶属传感器技术领域，具体涉及一种适配超声波对射式流量计的换能器。

背景技术

在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，对于工业及民生水、热、燃气供给计量领域，由全电子模式流量计逐步取代机械式或机电组合模式流量计，已成不可逆转的大趋势。

近几年，超声波流量计具备对不同口径兼容性好、低压损、高精度、高可靠性、无磨损器件、应用面广且具有耐久性及经济性的优点，得到业界重视并逐渐普及。

超声波流量计的构成，除了时差积算电路，还有换能器、换能器布局方式及流道分区结构等四个方面，前者即由芯片测量时差的分辨率大小决定着对某个确定的流量计基表可测流量的最小量值；后三者所构建的整体架构决定着超声波流量计的综合性能和计量品质指标，其中，流量计计量品质指标的核心是计量精度和量程比。

换能器是超声波流量计中的关键器件，它起到将高频电信号转变为高频声波及其将接收到的高频声波转变为电信号的换能转换作用。超声波换能器中的核心部件是以锆钛酸铅为主流的压电陶瓷PZT。其中，压电陶瓷PZT-8的性能较为优越，普遍应用于流体测量领域。当PZT-8接收到声波声压时，内部会机械变形极化且在两相对表面形成正、负电荷；当给PZT-8两相对表面施加一电场时，其内部亦会发生物理变形，如果施加的是一高频电场，压电陶瓷的变形与物体作用结合即可产生超声波。前者效应称为正压电效应，后者成为负压电效应。

将PZT-8制作成一定厚度、直径的陶瓷片后，需要在压电片两面镀银且引出电极并对陶瓷片进行全面保护以便方便安装固定，特别是在液体中的应用。所以，常规须对其用壳体进行封装，当压电陶瓷片经焊接引线与壳体完成封装后，就可称之为超声波换能器。

在超声波流量计的整体结构中，对于由电池供电的低功耗电路，超声波换能器的匹配需要考虑两方面因素：1）换能器与时差电路连接，需要进行等效电性阻抗匹配，以便电路高频电信号源能提供换能器有较大的功率输出；以及对接收到的高频声波压转换成的高频电信号有较好的接收电抗匹配以获得幅度较好的电压响应；2）就换能器本身被高频电信号驱动后，其震动产生的超声波声压强度大小、以及接收到高频声压转换为高频电信号的强度大小，也必须要有较高的转换效率。第二方面要素可归结为压电陶瓷片与封装壳体间的声阻匹配。换言之，当电路与换能器已经进行等效电性阻抗匹配后，需要重点解决的是压电陶瓷片与封装壳体的声阻匹配，以发送声波为例，声阻匹配是决定换能器产生超声波传播距离远近和所生成的超声波的有用波形形态的关键要素。

对上述关键因素可以理解为：对于同一驱动电路，换能器封装后，声阻匹配好，声波传播远，以及接收到的声波转换成电信号形态规则、幅值大，能更利于换能器间距较远的大口径流量计的应用；另外，换能器所接收到声波信号后，压电陶瓷片随之起振快，转换成的电信号首波幅度大，那么就容易准确触发计时电路，启动电路时差模块准确计时。

2012～2017年，随着国际上AMS、D-FLOW、TI等公司先后推出了较先进的超声波时差计时芯片，其分辨率都已达到5～11ps，完全满足了水、气计量应用需求，超声波流量计随着这一根本性技术的突破而开始其应用普及。目前，超声波换能器的性能是超声波流量计应用中需要亟待解决和提高的瓶颈环节。

对于超声波换能器的制造，本发明根据理论推演和实践，提出八条技术导则，归纳为如下：