CN102873018A - 一种匹配层异步固化的超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匹配层异步固化的超声波换能器。在阶梯状的换能器壳体内自底部向上设有位于底部的匹配层，阶梯状换能器壳体的台肩周边开有补胶通道阵列，压电振子安装在补胶通道阵列上，压电振子底部与匹配层之间以及压电振子外圆柱面与阶梯状换能器壳体大端内圆柱面之间均充有补胶层，阶梯状换能器壳体大端内圆柱面与压电振子上部和压电振子外圆柱面之间为背衬。它解决了匹配层固化收缩时与压电振子之间产生间隙的问题，保证了匹配层与压电振子之间的可靠接触，提高了超声波换能器的灵敏度和可靠性，可广泛应用于超声波水表、超声波热量表、超声波户用燃气表、超声波气体流量计等领域，特别适用于超声波衰减强烈、信号幅值低的测量场合。

Description

一种匹配层异步固化的超声波换能器

技术领域

本发明涉及一种超声波换能器，特别是涉及一种匹配层异步固化的超声波换能器。

背景技术

超声波换能器是一种可以实现能量转换的装置，它通过内部压电振子的压电效应，实现电信号与超声波信号之间的相互转换。超声波换能器制造时通常是先选择好具有一定共振频率的压电振子，从压电振子的两极引出两根电极引线，然后在压电振子的其中一面添加一层或多层匹配层，在压电振子的另外一面添加背衬。

目前，利用上述方法制作的超声波换能器存在一个缺点，即作为匹配材料的环氧树脂固化时体积会收缩，使得最终得到的匹配层与压电振子之间存在一定的间隙，声波从压电振子中发射后，会在这一间隙中来回反射并且消耗较多的声能，从而大大降低超声波换能器的灵敏度，甚至导致换能器无法正常工作。

目前针对这种情况所提出的超声波换能器的一种改进措施是待匹配层一定程度的固化后再放入压电振子，以减少匹配材料固化收缩的影响；另外一种改进措施是对匹配材料的配方进行优化，选用固化压缩比小的材料；还有的产品提前将匹配层制成固体圆柱形薄片，使用时利用粘合剂将匹配层粘结在压电振子上即可。

但上述改进方法尚存在一些不足：虽然待匹配层一定程度的固化后再放入压电振子可以减少材料收缩的程度，但匹配层的固化需要消耗时间，降低了生产效率；选用固化压缩比小的材料只能在一定程度上减小材料固化收缩的程度，无法从根本上解决这一问题；由于匹配层厚度较小，提前将匹配层制成固体薄片对加工精度要求较高，且机加工会大大增加成本，粘合时所用粘合剂的声阻抗特性如果与匹配材料不同也会对换能器的性能造成影响，甚至导致换能器灵敏度的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种匹配层异步固化的超声波换能器，解决匹配层固化收缩时与压电振子之间产生间隙的问题，保证匹配层与压电振子之间的可靠接触。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

在换能器壳体内自底部向上依次设有位于底部的匹配层、压电振子和背衬；压电振子上部用导线从背衬中引出；所述换能器壳体为阶梯状换能器壳体，在阶梯状换能器壳体的台肩周边开有补胶通道阵列，压电振子安装在补胶通道阵列上，压电振子底部与匹配层之间以及压电振子外圆柱面与阶梯状换能器壳体大端内圆柱面之间均充有补胶层，阶梯状换能器壳体大端内圆柱面与压电振子上部和压电振子外圆柱面之间为背衬。

在阶梯状的换能器壳体内自底部向上设有位于底部的匹配层，阶梯状换能器壳体的台肩周边开有补胶通道阵列，压电振子安装在补胶通道阵列上，压电振子底部与匹配层之间以及压电振子外圆柱面与阶梯状换能器壳体大端内圆柱面之间均充有补胶层，阶梯状换能器壳体大端内圆柱面与压电振子上部和压电振子外圆柱面之间为背衬，压电振子上部用导线从背衬中引出。

所述匹配层为扁圆柱体，轴向高度为超声波在该匹配材料内传播波长的1/4，其扁圆柱体的上表面由于匹配材料的固化收缩而呈内凹形。

所述补胶通道阵列由3~4个矩形或圆弧形开口槽组成，是对称或者不对称分布，每个补胶通道中均填充有补胶层材料。

所述补胶层由两部分组成，一部分位于压电振子底部与匹配层之间的补胶层刚好填充满压电振子底部与匹配层之间的间隙；另一部分位于压电振子外圆与阶梯状换能器壳体大端孔之间的补胶层为环状的，环状补胶层的轴向高度为压电振子厚度的2/3~3/4；所述两部分补胶层通过补胶通道阵列相连接。

本发明具有的有益效果是：

1、解决了匹配层固化收缩时与压电振子之间产生间隙的问题，保证了匹配层与压电振子之间的可靠接触，提高了超声波换能器的灵敏度和可靠性。

2、工序简单，节省时间，无需机加工，节约成本，提高了生产效率。

本发明可广泛应用于超声波水表、超声波热量表、超声波户用燃气表、超声波气体流量计等领域，特别适用于超声波衰减强烈、信号幅值低的测量场合。

附图说明

图1是固化前的匹配层与压电振子示意图。

图2是固化后的匹配层与压电振子示意图。

图3是本发明的结构正视示意图。

图4是图3除背衬、导线以外的结构俯视示意图。

图5是本发明的制造流程图。

图中：1、匹配层，2、压电振子，3、台肩，4、导线，5、背衬，6、换能器壳体，7、补胶通道阵列，8、浇注槽，9、补胶层。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

在超声波换能器中，由于压电振子2为陶瓷材料，其声阻抗值与待测流体的声阻抗值往往相差较大，声波在进入待测流体时会有较大的能量损失，使声波透射能量大幅降低，从而大大降低超声波换能器的灵敏度。因此在超声波换能器中需要加入匹配层1，使换能器和工作介质之间实现声学匹配，以大幅提升换能器声波能量的利用率。

目前，超声波换能器的匹配材料一般都是由环氧树脂、金属添加剂、固化剂按照一定的比例混合均匀后得到的。刚混合好的匹配材料是以环氧树脂为主的粘稠状的半液态胶质，具有一定的粘性和流动性，在室温下固化较慢，在加热条件下则能在两小时内完全固化。

根据有机化学知识，大部分高分子在发生聚合反应时，都会随着聚合反应的进行而产生体积收缩。环氧树脂的固化就是一个聚合反应，虽然其开环聚合的单体收缩量要小得多，但是在固化反应中也要收缩5%左右。另外，考虑到固体材料的分子间距小于液体材料的分子间距，匹配材料由液体状固化为固体状时体积还会再进行收缩，其最终的整体体积收缩量可能达到10%左右。

如图1所示，超声波换能器通常是先利用液态的匹配材料浇注出匹配层1，然后放入压电振子2，此时匹配层1与压电振子2之间是紧密接触的。然后，环氧树脂与固化剂之间相互作用发生聚合反应，匹配层1开始固化。

如图2所示，随着聚合反应的进行，匹配层1收缩并逐渐与压电振子2脱离接触，最终在压电振子2与固体匹配层1之间产生一曲面间隙。声波从压电振子2中发射后，会在这一间隙中来回反射并且消耗较多的声能，从而大大降低超声波换能器的灵敏度，甚至导致换能器无法正常工作。所以需要采取适当的措施来避免匹配层1固化收缩后与压电振子2之间产生间隙。

如图3 、图4所示，本发明涉及的一种超声波换能器，在换能器壳体内自底部向上依次设有位于底部的匹配层1、压电振子2和背衬5；压电振子2上部用导线4从背衬5中引出；其特征在于：所述换能器壳体为阶梯状换能器壳体6，在阶梯状换能器壳体6的台肩3周边开有补胶通道阵列7，压电振子2安装在补胶通道阵列7上，压电振子2底部与匹配层1之间以及压电振子2外圆柱面与阶梯状换能器壳体6大端内圆柱面之间均充有补胶层9，阶梯状换能器壳体6大端内圆柱面与压电振子2上部和压电振子2外圆柱面之间为背衬5。

本发明的关键结构包括换能器壳体6、匹配层1、补胶通道阵列7、浇注槽8及补胶层9。

所述换能器壳体6为阶梯状的，底部设有浇注匹配层1用的浇注槽8，在大端孔与底部孔的交接处设有放置压电振子2用的台肩3。

所述匹配层1为扁圆柱体，与阶梯状换能器壳体底部的浇注槽8轴向高度相同，等于超声波在该匹配材料内传播波长的1/4，其扁圆柱体的上表面由于匹配材料的固化收缩而呈内凹形。

所述补胶通道阵列7由3~4个矩形或圆弧形开口槽组成，是对称或者不对称分布，每个补胶通道中均填充有补胶层材料。补胶通道阵列7的尺寸不能太大或太小。由于所用的匹配材料固化前为具有粘性的胶状液体材料，流经补胶通道阵列7的开口槽时会受表面张力的作用，若补胶通道阵列7的尺寸太小则匹配材料会无法正常通过。另一方面，若补胶通道阵列7的尺寸太大，会增大所连接的匹配层1与补胶层9之间的接触面积，在匹配材料固化的过程中，上下层材料之间互相渗透会比较严重，从而改变补胶层9的固化时间，影响补胶效果。本发明中，补胶通道阵列7每个开口槽的面积为4~6mm2。

所述补胶层9由两部分组成，一部分位于压电振子2底部与匹配层1之间的补胶层9刚好填充满压电振子2底部与匹配层1之间的间隙；另一部分位于压电振子2外圆与阶梯状换能器壳体6大端孔之间的补胶层9为环状的，环状补胶层9的轴向高度为压电振子2厚度的2/3~3/4；所述两部分补胶层通过补胶通道阵列7相连接。

所述的匹配材料通过加入不同比例的固化剂，以获得不同的固化时间。在一定范围内，环氧树脂的固化时间是由固化剂的用量决定的：加入的固化剂越多，环氧树脂固化的越快；反之，则环氧树脂固化的越慢。因此，可以通过调整环氧树脂与固化剂的比例来获得具有不同固化时间的匹配材料。

本发明所涉及的匹配材料按固化时间的不同分为两种，分别用于浇注匹配层1和补胶层9。由于声阻抗特性作为超声波换能器匹配层1的关键参数之一，会对换能器的灵敏度、可靠性和一致性造成极大影响，故所述的两种匹配材料除固化时间不同外，声阻抗特性必须保持一致，以保证换能器具有良好的性能。上述两种匹配材料均为环氧树脂、金属氧化物或金属单质与固化剂按照预定比例混合均匀后得到的。混合后匹配材料的声阻抗特性主要取决于环氧树脂与金属氧化物或金属单质的配比，而固化剂则主要起到使环氧树脂快速固化的作用。所述的预定比例为环氧树脂、金属氧化物或金属单质与固化剂之间的质量比，可以根据实际的性能要求进行确定。本发明中，不同匹配材料之间所使用的环氧树脂、金属氧化物或金属单质、固化剂的类型是完全相同的，环氧树脂与金属氧化物或金属单质的质量比也是相同的，只有固化剂的配比不同，而且固化剂在最后制得的匹配材料中所占的质量比较低（在8%以内）。因此，两种匹配材料中固化剂用量差异对匹配材料声阻抗特性的影响可以忽略。

参照图5，示出了本发明的一种实施例的制造流程图，包括步骤：

步骤S1、按照预定比例调配匹配材料，得到粘稠状的半液态胶质。

步骤S2、向浇注槽8内浇注匹配层1。所用的匹配材料为固化时间较短的。

步骤S3、在超声波换能器壳体6内放置压电振子2。

步骤S4、浇注补胶层9。所用的匹配材料为固化时间较长的。

步骤S5、焊接导线4并浇注背衬5。

通过上述步骤，完成超声波换能器的匹配层1和补胶层9浇注、压电振子2放置、导线4焊接及背衬5填充，然后加热进行固化。固化过程中，由于各层匹配材料的固化时间不同，浇注槽8中的匹配层1首先固化并与压电振子2之间产生间隙。此时，补胶层9中的匹配材料尚未固化，这部分匹配材料即通过补胶通道阵列7流入所产生的间隙中。利用补胶层9中的胶液对匹配层1固化收缩产生的间隙进行填补，从而保证匹配层1与压电振子2的可靠接触，提高超声波换能器的灵敏度和可靠性。

Claims (4)

1.一种匹配层异步固化的超声波换能器，在换能器壳体内自底部向上依次设有位于底部的匹配层（1）、压电振子（2）和背衬（5）；压电振子（2）上部用导线（4）从背衬（5）中引出；其特征在于：所述换能器壳体为阶梯状换能器壳体（6），在阶梯状换能器壳体（6）的台肩（3）周边开有补胶通道阵列（7），压电振子（2）安装在补胶通道阵列（7）上，压电振子（2）底部与匹配层（1）之间以及压电振子（2）外圆柱面与阶梯状换能器壳体（6）大端内圆柱面之间均充有补胶层（9），阶梯状换能器壳体（6）大端内圆柱面与压电振子（2）上部和压电振子（2）外圆柱面之间为背衬（5）。

2.根据权利要求1所述的一种匹配层异步固化的超声波换能器，其特征在于：所述匹配层（1）为扁圆柱体，轴向高度为超声波在该匹配材料内传播波长的1/4，其扁圆柱体的上表面由于匹配材料的固化收缩而呈内凹形。

3.根据权利要求1所述的一种匹配层异步固化的超声波换能器，其特征在于：所述补胶通道阵列（7）由3~4个矩形或圆弧形开口槽组成，是对称或者不对称分布，每个补胶通道中均填充有补胶层材料。

4.根据权利要求1所述的一种匹配层异步固化的超声波换能器，其特征在于：所述补胶层（9）由两部分组成，一部分位于压电振子（2）底部与匹配层（1）之间的补胶层（9）刚好填充满压电振子（2）底部与匹配层（1）之间的间隙；另一部分位于压电振子（2）外圆与阶梯状换能器壳体（6）大端孔之间的补胶层（9）为环状的，环状补胶层（9）的轴向高度为压电振子（2）厚度的2/3~3/4；所述两部分补胶层（9）通过补胶通道阵列（7）相连接。

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