一種流量計(jì)用超聲波傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種流量計(jì)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(fā)聲面接地電極、側(cè)面接地電極、背面接地電極、驅(qū)動(dòng)電極、接地電極引線、驅(qū)動(dòng)電極引線、接地電極端子、驅(qū)動(dòng)電極端子。其中工作原理是在規(guī)定截面積的流體流路上下游分別安裝一個(gè)超聲波傳感器，上下游超聲波傳感器一個(gè)發(fā)出超聲波、一個(gè)接收超聲波，交替工作，超聲波在順逆兩向傳輸時(shí)與流體速度有疊加，這樣順逆兩向超聲波傳播時(shí)間就存在時(shí)間差，依次可以計(jì)算流體流速。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)調(diào)整壓電元件輸出超聲波的強(qiáng)度分布，改善超聲波接收感度特性的非對(duì)稱性，可以提高超聲波流量計(jì)視察信號(hào)的信噪比（S/N），提高流量測(cè)量的精確度。
【專利說(shuō)明】一種流量計(jì)用超聲波傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波傳感器，具體地講是一種流量計(jì)用超聲波傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，超聲波流量計(jì)是測(cè)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(jì)的關(guān)鍵件之一。當(dāng)采用時(shí)差法測(cè)量流體流速時(shí)，其中工作原理是在規(guī)定截面積的流體流路上下游分別安裝一個(gè)超聲波傳感器，上下游超聲波傳感器一個(gè)發(fā)射超聲波、一個(gè)接收超聲波，交替工作，超聲波在順逆兩向傳輸時(shí)，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(shí)間就存在時(shí)間差，依此可以計(jì)算流體流速，進(jìn)而得出流量值。
[0003]圖1、圖2表示的是目前采用超聲波傳感器測(cè)量流速的工作原理。圖5是現(xiàn)有技術(shù)超聲波傳感器說(shuō)明圖。圖1、圖2中,超聲波傳感器某一點(diǎn)發(fā)出的速度為c的超聲波以一定指向角Θ發(fā)射，超聲波呈圓盤狀向超聲波接收側(cè)發(fā)射，且圓盤狀的截面積由小到大。圖1與圖2的區(qū)別在于，圖1中超聲波發(fā)聲方向與流體流速方向一致(順向)，圖2中超聲波發(fā)聲方向與流體流速方向相反(逆向)。由圖1、圖2可知,無(wú)論流體流速方向與超聲波方向是否一致，超聲波到達(dá)接收側(cè)的時(shí)間都會(huì)存在一個(gè)時(shí)間差，即，因?yàn)榇嬖谥赶蚪铅?，所以沿中心線方向的超聲波到達(dá)時(shí)間要短于超聲波到達(dá)周邊區(qū)域的時(shí)間，且順向時(shí)間差大于逆向時(shí)間差，層流狀態(tài)比紊流狀態(tài)明顯。
[0004]這樣，就存在以下兩個(gè)問(wèn)題:
(1)超聲波傳感器的作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，也就是說(shuō)將脈沖形式存在的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，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(hào)強(qiáng)度的差異，所以，傳感器存在接收信號(hào)強(qiáng)度的非均勻性，就會(huì)降低接收信號(hào)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(chǎn)生了兩個(gè)傳感器接收信號(hào)強(qiáng)度的非對(duì)稱性，直接影響信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)接收電路處理信號(hào)的效果O
[0005]圖3是順逆兩向接收信號(hào)強(qiáng)度非對(duì)稱性與非均勻性的說(shuō)明圖，直線表示接收信號(hào)時(shí)間差與流體流速之間的關(guān)系，曲線表示接收信號(hào)強(qiáng)度與流體流速之間的關(guān)系。從圖3的直線可以看出其物理意義是，最左側(cè)表明超聲波到達(dá)接收面的時(shí)間差最小，最右側(cè)表明超聲波到達(dá)接收面的時(shí)間差最大。從圖3中的曲線可以看出其物理意義是，最左側(cè)表明超聲波接收面接收信號(hào)強(qiáng)度最大，最右側(cè)表明超聲波接收面接收信號(hào)強(qiáng)度最小。
[0006]以上流量計(jì)用超聲波傳感器的缺點(diǎn)是，接收側(cè)超聲波傳感器接收到的超聲波信號(hào)強(qiáng)度不均勻，順逆兩向分別接收超聲波信號(hào)時(shí)，兩個(gè)超聲波傳感器接收到的信號(hào)不對(duì)稱。不均勻會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，不對(duì)稱會(huì)增加信號(hào)處理電路的負(fù)擔(dān)，這兩個(gè)問(wèn)題都直接影響到流量測(cè)量的精確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是提供一種提高接收信號(hào)對(duì)稱性與均勻性，改善超聲波信號(hào)信噪比，進(jìn)而提高流量計(jì)檢測(cè)精確度的一種新型超聲波傳感器。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是按以下方式實(shí)現(xiàn)的。
[0009]一種流量計(jì)用超聲波傳感器，包括壓電元件、殼體、底座、粘接層、緩沖層、接地電極、驅(qū)動(dòng)電極、接地電極引線、驅(qū)動(dòng)電極引線、接地電極端子、驅(qū)動(dòng)電極端子；所述底座上設(shè)有殼體,底座與殼體之間形成腔體,腔體內(nèi)部、從底座至殼體順次設(shè)有緩沖層、表面設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極與接地電極的壓電元件、粘結(jié)層；驅(qū)動(dòng)電極端子經(jīng)驅(qū)動(dòng)電極引線與驅(qū)動(dòng)電極相連，驅(qū)動(dòng)電極端子穿透出底座并與底座成一體的結(jié)構(gòu)；接地電極端子經(jīng)接地電極引線與接地電極相連，接地電極端子穿透出底座并與底座成一體的結(jié)構(gòu)；其特征在于壓電元件整體呈圓盤狀，壓電元件包括圓環(huán)狀的壓電元件模塊和其內(nèi)側(cè)圓盤狀的虛擬壓電元件模塊。
[0010]一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于驅(qū)動(dòng)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(fā)聲面接地電極、背面接地電極、側(cè)面接地電極，發(fā)聲面接地電極印刷在壓電元件的發(fā)聲側(cè)，背面接地電極印刷在壓電元件的背面、位于驅(qū)動(dòng)電極的同一個(gè)面，側(cè)面接地電極印刷在壓電元件的側(cè)底面。
[0011]一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于接地電極端子經(jīng)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(jì)用超聲波傳感器，其特征在于壓電元件中間位置的圓盤形虛擬壓電元件模塊為無(wú)壓電效應(yīng)的圓盤形虛擬壓電元件模塊；壓電元件周邊位置的圓環(huán)狀的壓電元件模塊為有壓電效應(yīng)的壓電元件模塊。
[0013]一種流量計(jì)用 超聲波傳感器，其特征在于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(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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于虛擬壓電元件模塊的厚度。
[0016]一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(dú)立的模塊，之間有間隙，間隙內(nèi)設(shè)置有填充材料。
[0017]一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(shè)填充物。
[0018]圖11表示的是流體在不同速度段表現(xiàn)出的層流與紊流分布速度規(guī)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(guān)系為:

層流:v/v= 0.5

紊流:V Zv= 0.75-0.9
為便于敘述我們以特征更為明顯的層流為例，兩個(gè)超聲波傳感器間距為人
[0019]順流方向傳播時(shí)，波在中間傳播的時(shí)間為，沿^萬(wàn)向傳播的時(shí)間為，則:
【權(quán)利要求】
1.一種流量計(jì)用超聲波傳感器，包括壓電元件、殼體、底座、粘接層、緩沖層、接地電極、驅(qū)動(dòng)電極、接地電極引線、驅(qū)動(dòng)電極引線、接地電極端子、驅(qū)動(dòng)電極端子；所述底座上設(shè)有殼體，底座與殼體之間形成腔體，腔體內(nèi)部、從底座至殼體順次設(shè)有緩沖層、表面設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極與接地電極的壓電元件、粘結(jié)層；驅(qū)動(dòng)電極端子經(jīng)驅(qū)動(dòng)電極弓丨線與驅(qū)動(dòng)電極相連，驅(qū)動(dòng)電極端子穿透出底座并與底座成一體的結(jié)構(gòu)；接地電極端子經(jīng)接地電極引線與接地電極相連，接地電極端子穿透出底座并與底座成一體的結(jié)構(gòu)；其特征在于壓電元件整體呈圓盤狀，壓電元件包括圓環(huán)狀的壓電元件模塊和其內(nèi)側(cè)圓盤狀的虛擬壓電元件模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于驅(qū)動(dòng)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(fā)聲面接地電極、背面接地電極、側(cè)面接地電極，發(fā)聲面接地電極印刷在壓電元件的發(fā)聲側(cè)，背面接地電極印刷在壓電元件的背面、位于驅(qū)動(dòng)電極的同一個(gè)面，側(cè)面接地電極印刷在壓電元件的側(cè)面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于接地電極端子經(jīng)接地電極弓丨線與接地電極的背面接地電極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于壓電元件中間位置的圓盤形虛擬壓電元件模塊為無(wú)壓電效應(yīng)的圓盤形虛擬壓電元件模塊；壓電元件周邊位置的圓環(huán)狀的壓電元件模塊為有壓電效應(yīng)的壓電元件模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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于虛擬壓電元件模塊的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(dú)立的模塊，之間有間隙，間隙內(nèi)設(shè)置有填充材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種流量計(jì)用超聲波傳感器，其特征在于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(shè)填充物。
【文檔編號(hào)】G01F15/00GK103776497SQ201410037294
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】王翥, 佟曉筠, 佟少?gòu)?qiáng), 郭茂林 申請(qǐng)人:王翥