CN100437750C - 用于极端气候条件的超声波换能器 - Google Patents

用于极端气候条件的超声波换能器 Download PDF

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Abstract

一种超声波换能器，特别是用在超声波风速测量中，它具有一个带有声学有效面的电—机械换能器(1)、一个声学匹配层(3)，其设置在换能器的该声学有效面和该露出的声学面之间、和一个电加热元件(2)。其中该加热元件(2)设置在换能器(1)的该声学有效面与所述匹配层(3)之间。

Description

用于极端气候条件的超声波换能器
技术领域
本发明涉及一种超声波换能器，它具有一个露出的声学面、一个带有一个声学有效面的电-机械换能器、一个声学匹配层，该声学匹配层设置在换能器的该声学有效面的前面并且构成所述露出的声学面，并且具有一个电加热元件。
背景技术
在测量技术领域，超声波换能器主要在小和中等的功率范围内使用。声学或者超声波风速测量术，也就是风速和风向的测量，在此，对所有气候条件下的超声波换能器的功能能力提出特别高的要求。
然而在超声波风速测量术中，以及在用超声波测量距离时，为了测定信号传播时间，一个声学脉冲或者波群在一个发射侧产生，并且在一个接收侧上转换回一个电信号。
下面描述一些要求，这是对用于外部的超声波换能器的特性和功能能力必须提出的要求。
发射侧的电信号转换成声信号并且在接收侧反向转换的效率应当在一个宽的温度范围内保持不变。
在谐振的超声波换能器中，其谐振频率和反射性能(波瓣(Lobe))只较少地通过在露出的超声波换能器表面上温度改变或者质量改变而改变，例如由雨滴改变。
在结冰层的条件下在露出的超声波换能器表面上的冰层结构不允许导致系统失灵。
然而，因为这样的结冰情况的时间延续不是已知的，因此最终一个冰层或者白霜层结构自身在风速大的情况下必须可靠地得到阻止。
当声学有效(aktiv)面的表面温度能够保持在正温度区(＞0℃)时，超声波换能器的结冰能够例如由一个足够的供暖被有效地阻止。
所有公开的超声波换能器具有一个以压电效应或者磁电效应为基础的电-机械能量转换器，即换能器，借助于该换能器，一个电信号能够被转换为一个运动(例如通过压电方面的长度变化)并且被反向转换。
人们使用这样一种换能器，该换能器没有采用其它的用于在空气中产生一种声波的措施，这样，带有其相对高的声阻抗的换能器的固体的机械功率仅仅在高匹配损耗的情况下成功地耦合到其声阻抗很小的空气中。
为了减少匹配损耗，众所周知地使用λ/4层，这些层在此一般被称为匹配层，并且它们在其理想方式下具有一个声阻抗，该声阻抗大约为换能器固体阻抗与空气阻抗的几何平均值。
通过这样一个匹配层的一个最佳的阻抗匹配实际上是不可能的，因为上面提到的理想的声阻抗不能用公知的材料或者材料合成物达到。
一种材料的声阻抗是材料密度与在材料中的音速的乘积。
此关系表明了，对于匹配层合适的材料或者合成物在通常情况下具有一个很小的密度。
同时，匹配层不允许具有太高的声波阻尼。
几乎全部的可用于空气的匹配层的材料或者材料合成物，由于其物理特性，具有一个与金属相比仅仅很小的导热性。
在声特性方面的要求可惜与希望的好的导热性直接相矛盾，该导热性在供暖时被需要用来抗结冰。
DE19957125A1中公开了一种超声波换能器，它具有一个压电换能器和一个匹配层。这个超声波换能器用于根据回波传播时间方法测量到物体的距离。
US4891796一方面公开了一种超声波发送和接收单元，其中导电的防止振动的橡胶设置在振动元件中，并且被加热，以防止结冰。橡胶的设置地点未详细描述。另外一方面，描述了一种超声波发送和接收单元，它设置有一个加热装置以防止结冰，该加热装置由一个带有正的温度系数的电阻膏(Widerstandspaste)的一些区域配置构成，并且在一个表面下面的大面积上延伸，该单元的发送和接收部向着该表面敞开。
US4890488在一种超声波风速计中公开了，由加热来抵抗结冰，然而由于需要太多的能量而被否定。代替之，应改进测试用的超声波信号，使得它较少地受到结冰的影响。
发明内容
本发明的任务是，使一个加热元件尤其有效地集成在超声波换能器的结构中。
按照本发明，提出了一种超声波换能器，它具有一个露出的声学面、一个带有一个声学有效面的电-机械换能器、一个声学匹配层，该声学匹配层设置在换能器的该声学有效面的前面并且构成所述露出的声学面，并且具有一个电加热元件，其中，该加热元件设置在换能器的所述声学有效面与所述匹配层之间，其中，该换能器在其声学有效面上的一个连接电极与所述加热元件的一个连接电极整个面地金属相连。
该任务由上述方案的超声波换能器来实现。超声波换能器的进一步有利实施形式为：
所述加热元件具有一个PTC-电阻材料，它随温度减少其电导，显示其温度的自动调节。
该换能器在其声学有效面上的一个连接电极与所述加热元件的一个连接电极整个面地金属相连。
这些连接电极通过一个软焊料层相互连接。
这些连接电极共同地连接在一个接地线上。
一个在侧面包围所述匹配层的金属环设置在该加热元件上。
该金属环通过一个软焊料层与该加热元件的一个前面的连接电极相连接。
该金属环形锁合地保持该匹配层并且使其强制对中。
一个由被动阻尼的声学材料制造的环被设置在所述金属环上。
所述换能器具有一个压电的或者磁电的换能器材料，所述加热元件被设计用于80℃到90℃的加热温度，并且所述匹配层直到所述加热温度时保持热稳定，并且保持其声学特性。
下面提出的问题必须由创造性的劳动来克服：
匹配层由导热性差的材料合成物构成。通过改变材料合成物，导热性必须至少改善2倍，而没有同时决定性地降低声匹配。
热流应当经过一个尽可能短的路径来通过热传导差的匹配层，从而保持受强风的冷却影响尽可能的小。匹配层上表面对环境的热阻抗与空气的流速密切相关。(热风速计基于所述不好的效应)。
加热元件应当尽可能自动地保持其温度不变，从而可靠地避免由于缺少流动空气的冷却时的过热。(由于超声波换能器的几何形状，温度传感器作为用于调节的实际值传感器来装入几乎被排除)
加热元件的温度必须根据匹配层的照旧高的热阻抗(
Figure C0282353500071
)而被选择成相对高的(大约90℃)。
同时，必须考虑每次接通被冷却的US换能器的加热时的高的热应力。
在此过程中，在超声波换能器的部件之间会短时间出现直到120开尔文(Kelvin)的温度差。
由于这个原因，所选择的材料必须具有大致相同的温度系数，或者这些层必须被适宜地机械固定，从而可靠地防止由于裂缝形成和撕裂产生的毁坏。
一个作为电-声换能器使用的压电陶瓷材料和一个作为加热元件使用的类似陶瓷的正温度系数(PTC)电阻在它们的热膨胀系数上没有决定性的差别，这样甚至是在这里的几何结构下一个平面的钎(锡)焊接连接也保持其功能能力。
然而，匹配层材料的膨胀系数与上面提到的材料(压电陶瓷和PTC陶瓷)有很大的不同，这样在这些材料之间的边界面上在待使用的不同运行温度中出现大的机械应力。
必须可靠地防止由于这些机械应力出现的换能器的损坏、性能改变或者失灵。
通过将一个有小阻尼的加热层装入声学路径中，使换能器的声学有效元件的质量(Masse)显著加大。因此所述传感器在发射情况(Sendefall)中激励后瞬变振荡显著加长。尽管如此，为了仍然获得与测量段长度相关的、最大可能的传感速率，所述传感器应当通过装入一个合适的材料来被动地阻尼。
附图说明
图1表示所述新的超声波换能器的优选实施例的横剖图。
具体实施方式
其中，该超声波换能器的部件的设置可由下面的参考标号清单看出。
参考标号清单：
1换能器
2加热元件
3匹配层
4软焊料层
5软焊料层
6金属环
7环
8接地线
9信号线
10加热管

Claims (9)

1.一种超声波换能器，它具有一个露出的声学面、一个带有一个声学有效面的电-机械换能器(1)、一个声学匹配层(3)，该声学匹配层设置在换能器(1)的该声学有效面的前面并且构成所述露出的声学面，并且具有一个电加热元件(2)，其特征在于，该加热元件(2)设置在换能器(1)的所述声学有效面与所述匹配层(3)之间，其中，该换能器(1)在其声学有效面上的一个连接电极与所述加热元件(2)的一个连接电极整个面地金属相连。
2.根据权利要求1的超声波换能器，其特征在于，所述加热元件(2)具有一个陶瓷的PTC-电阻材料，它随温度减少其电导，显示其温度的自动调节。
3.根据权利要求1的超声波换能器，其特征在于，这些连接电极通过一个软焊料层(4)相互连接。
4.根据权利要求1或3的超声波换能器，其特征在于，这些连接电极共同地连接在一个接地线(8)上。
5.根据权利要求1或2的超声波换能器，其特征在于，在该加热元件(2)上设置了一个在侧面包围所述匹配层(3)的金属环(6)。
6.根据权利要求5的超声波换能器，其特征在于，该金属环(6)通过一个软焊料层(5)与该加热元件(2)的一个前面的连接电极相连接。
7.根据权利要求5的超声波换能器，其特征在于，该金属环(6)形锁合地保持该匹配层(3)并且使其强制附中。
8.根据权利要求5的超声波换能器，其特征在于，一个由被动阻尼的声学材料制造的环(7)被设置在所述金属环(6)上。
9.根据权利要求1或2的超声波换能器，其特征在于，所述换能器(1)具有一个压电的或者磁电的换能器材料，所述加热元件(2)被设计用于80℃到90℃的加热温度，并且所述匹配层(3)直到所述加热温度时保持热稳定，并且保持其声学特性。
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