CN103028538A - 超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片 - Google Patents

超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片 Download PDF

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郝振刚
陶锋烨
李梅
王宁
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Shandong Lichuang Science and Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，包括压电陶瓷片本体，压电陶瓷片本体为圆形，其特征在于：在压电陶瓷片本体的负极面设有声匹配材料层嵌入凹穴；在压电陶瓷片本体的正极面设有信号处理板粘结层嵌入凹穴。该超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，由于在压电陶瓷片的负极面和正极面均设有等距排列的凹穴，可大幅度的提高结合面积，提高相互嵌入的结合拉力，所以，能使压电陶瓷片与声匹配材料层和信号处理板粘结层嵌入固定，使其固定牢固，并具有一定的柔性，从而确保超声波换能器正常发射和接受超声波信号，提高了超声波换能器耐高低温、耐老化的能力，同时也提高了超声波热量表计量精度和使用寿命。

Description

超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片
 
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷片的改进，具体地说是一种超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片。
背景技术
压电陶瓷片是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。当交电电压作用于压电陶瓷片时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷片时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由压电陶瓷片构成的振动器施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向振动器施加超声振动时，就会产生一个电信号，基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波热量表超声波传感器。
超声波热量表是一种热计量装置，用于测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热能量的仪表，其流量测量采用超声波原理，超声波换能器是其超声信号采集的核心部件，而压电陶瓷片则是超声波换能器的核心部件。
所述的超声波换能器包括密封的圆形换能器外壳、圆形压电陶瓷片、声匹配材料层、圆形的信号处理板和密封层，圆形压电陶瓷片的负极面和正极面均为光滑的平面，在圆形压电陶瓷片的负极面贴合粘结上声匹配材料层，在圆形压电陶瓷片的正极面贴合粘结上圆形的信号处理板。这种超声波换能器所使用的圆形压电陶瓷片的不足在于：一是由于压电陶瓷片的负极面的光滑度很高，与声匹配材料层为贴合粘接，结和面小，无相互嵌入的拉力，所以压电陶瓷片负极面与声匹配材料层粘接不牢固；同理，由于压电陶瓷片的正极面也是光滑的平面，所以压电陶瓷片的正极面与圆形的信号处理板粘接也不牢固；二是由于超声波热量表使用的阶段性，应用于超声波热量表上的超声波换能器直接接触管道供暖介质，即供暖期的高温水，在非供暖期间供暖介质处于常温状态，使超声波换能器经常会处于冷热交替过程中，这种环境条件，则要求压电陶瓷片与声匹配材料层和信号处理板粘接牢固，如果粘结不牢固，可导致压电陶瓷片与声匹配材料层或信号处理板分离，从而使超声波换能器无法发射和接受超声波信号，降低声传递性能，继而影响超声波热量表的正常运行和计量精度。经过检索，目前的超声波换能器用压电陶瓷片的负极面和正极面均没有与声匹配材料层或信号处理板粘结剂相互嵌固、以增加粘结面积和强度的报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高压电陶瓷片与声匹配材料层和信号处理板粘结力、提高声传递性能、确保超声波换能器正常发射和接受超声波信号、继而提高超声波热量表计量精度的超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，包括压电陶瓷片本体，压电陶瓷片本体为圆形，其直径为6.0-16.0mm，厚度为1.0-3.0 mm，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体的负极面设有声匹配材料层嵌入凹穴；所述的压电陶瓷片本体的正极面设有信号处理板粘结层嵌入凹穴。
本发明还通过如下措施实施：所述的压电陶瓷片本体的声匹配材料层嵌入凹穴和信号处理板粘结层嵌入凹的深度均为1.6-2.5um，成行、成列排列，横向间距为1-2 mm，纵向间距为1-2 mm；
所述的压电陶瓷片本体的信号处理板粘结层嵌入凹穴与压电陶瓷片本体的声匹配材料层嵌入凹穴的排列位置及深度相对应一致；
所述的压电陶瓷片本体的信号处理板粘结层嵌入凹穴与压电陶瓷片本体的声匹配材料层嵌入凹穴的排列位置交错排列，信号处理板粘结层嵌入凹穴的深度与声匹配材料层嵌入凹穴的深度不一致；
所述的声匹配材料层嵌入凹穴和信号处理板粘结层嵌入凹穴的成型方法为等离子刻蚀、高压离子刻蚀、高密度离子刻蚀、反应离子刻蚀中的一种。
用本发明生产的超声波换能器，装入超声波热量表后，与原有的超声波热量表相比：长期使用的稳定性提高了30-35%，使用寿命提高了30-40%。
本发明的有益效果在于：与目前超声波热量表超声波换能器使用的压电陶瓷片相比，由于在压电陶瓷片的负极面和正极面均设有等距排列的凹穴，可大幅度的提高结合面积，提高相互嵌入的结合拉力，所以，能使压电陶瓷片与声匹配材料层和信号处理板粘结层嵌入固定，使其固定牢固，并具有一定的柔性，从而确保超声波换能器正常发射和接受超声波信号，提高了超声波换能器耐高低温、耐老化的能力，同时也提高了超声波热量表计量精度和使用寿命。
附图说明
图1为发明的结构俯视示意图；
图2为发明的结构沿A-A剖视示意图；
图3为发明的应用状态剖视示意图。
图中：1、压电陶瓷片本体；2、声匹配材料层嵌入凹穴；3、信号处理板粘结层嵌入凹穴；4、圆形换能器外壳；5、声匹配材料层；6、密封层；7、屏蔽电缆；8、信号处理板。
具体实施方式
实施例1
图1、图2给出了一个实施例。该超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，包括压电陶瓷片本体1，压电陶瓷片本体1为圆形，其直径为11mm，厚度为2.0mm，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体1的负极面设有声匹配材料层嵌入凹穴2，通过声匹配材料层嵌入凹穴2与声匹配材料层相嵌入结合，这样，可增加结合面积，提高粘结拉力，使其粘结牢固；所述的压电陶瓷片本体1的正极面设有信号处理板粘结层嵌入凹穴3，通过信号处理板粘结层嵌入凹穴3与信号处理板粘结层相嵌入结合，这样，可增加结合面积，提高粘结拉力，使信号处理板粘结牢固。
作为本发明的改进：所述的压电陶瓷片本体1的声匹配材料层嵌入凹穴2和信号处理板粘结层嵌入凹3的深度均为2.5um，成行、成列排列，横向间距为1.5mm，纵向间距为1.5mm；
所述的压电陶瓷片本体1的信号处理板粘结层嵌入凹穴3与压电陶瓷片本体1的声匹配材料层嵌入凹穴2的排列位置与深度相对应一致；
所述的声匹配材料层嵌入凹穴2和信号处理板粘结层嵌入凹穴3的成型方法为等离子刻蚀。
图3给出了使用本发明时的安装示意图，首先在密封的圆形换能器外壳4内的底部装入声匹配材料层5，再装入本发明，本发明的负极面的声匹配材料层5压入声匹配材料层嵌入凹2内，嵌入粘结固定，再将信号处理板的粘结层压入压电陶瓷片本体1正极面的信号处理板粘结层嵌入凹穴3内，嵌入粘结固定上圆形的信号处理板8，再通过填满密封层6将屏蔽电缆7固定，即装配成功了超声波换能器。
用本发明生产的超声波换能器，装入超声波热量表后，与原有的超声波热量表相比：长期使用的稳定性提高了35%；使用寿命提高了40%。
实施例2
该超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，包括压电陶瓷片本体1，压电陶瓷片本体1为圆形，其直径为6.0mm，厚度为1.0mm，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体1的负极面设有声匹配材料层嵌入凹穴2；所述的压电陶瓷片本体1的正极面设有信号处理板粘结层嵌入凹穴3。
所述的压电陶瓷片本体1的声匹配材料层嵌入凹穴2的深度为2.0um，成行、成列排列，横向间距为1mm，纵向间距为1mm；
所述的压电陶瓷片本体1的信号处理板粘结层嵌入凹穴3与压电陶瓷片本体1的声匹配材料层嵌入凹穴2的排列位置交错排列，深度为1.6um；
所述的声匹配材料层嵌入凹穴2和信号处理板粘结层嵌入凹穴3的成型方法为高压离子刻蚀。
安装使用同实施例1。
用本发明生产的超声波换能器，装入超声波热量表后，与原有的超声波热量表相比：长期使用的稳定性提高了30%；使用寿命提高了35%。
实施例3
该超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，包括压电陶瓷片本体1，压电陶瓷片本体1为圆形，其直径为16.0mm，厚度为3.0mm，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体1的负极面设有声匹配材料层嵌入凹穴2；所述的压电陶瓷片本体1的正极面设有信号处理板粘结层嵌入凹穴3。
所述的压电陶瓷片本体1的声匹配材料层嵌入凹穴2和信号处理板粘结层嵌入凹3的深度均为2.5um，成行、成列排列，横向间距为2.0mm，纵向间距为2.0mm； 
所述的压电陶瓷片本体1的信号处理板粘结层嵌入凹穴3与压电陶瓷片本体1的声匹配材料层嵌入凹穴2的排列位置及深度相对应一致。
所述的声匹配材料层嵌入凹穴2和信号处理板粘结层嵌入凹穴3的成型方法为高密度离子刻蚀。
安装使用同实施例1。
用本发明生产的超声波换能器，装入超声波热量表后，与原有的超声波热量表相比：长期使用的稳定性提高了32%，使用寿命提高了30%。

Claims (4)

1.超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，包括压电陶瓷片本体（1），压电陶瓷片本体（1）为圆形，其直径为6.0-16.0mm，厚度为1.0-3.0mm，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体（1）的负极面设有声匹配材料层嵌入凹穴（2）；所述的压电陶瓷片本体（1）的正极面设有信号处理板粘结层嵌入凹穴（3）。
2.根据权利要求1所述的超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体（1）的声匹配材料层嵌入凹穴（2）和信号处理板粘结层嵌入凹穴（3）的深度均为1.6-2.5um，成行、成列排列，横向间距为1-2 mm，纵向间距为1-2 mm。
3.根据权利要求1或2所述的超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体（1）的信号处理板粘结层嵌入凹穴（3）与压电陶瓷片本体（1）的声匹配材料层嵌入凹穴（2）的排列位置及深度相对应一致。
4.根据权利要求1或2所述的超声波热量表超声波换能器用嵌固极面压电陶瓷片，其特征在于：所述的压电陶瓷片本体（1）的信号处理板粘结层嵌入凹穴（3）与压电陶瓷片本体（1）的声匹配材料层嵌入凹穴（2）的排列位置交错排列，深度不一致。
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