CN1033503A - 声发射换能器和电振荡器 - Google Patents
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Abstract
声发射换能器(100)或电振荡器组件(200)包括
基板(102)和压电陶瓷元件(104)。压电陶瓷元件
(104)安装在基板(102)上。该基板适宜于将声波耦
合至一部件的表面且构成电路板的一部分。该电路
板可以是印刷陶瓷电路板，并有若干电子部件或混合
电子电路安装其上。声发射换能器(100)或电振荡
器组件(200)与电路的一部分构成整体。压电陶瓷
元件配置在形成在基板表面处的环形凹陷区上。压
电陶瓷元件有一周边区，借此使其固定在基板上。
Description
本发明涉及声发射换能器组件和电振荡器。
先有技术的声发射换能器包括安装在基板上的压电陶瓷元件。
该压电陶瓷元件被固定在基板上的壳体所封闭。
上述先有技术的声发射换能器是与放大和处理设备配合使用的，而后者远离声发射换能器并用导电电缆与其相连。
本发明设法提供一种声发射换能器组件，它可与电路板的一部分构成整体。
据此，本发明提供一种声发射换能器组件，它包括基板和压电陶瓷元件，该基板适宜于将声波耦合到部件的表面，压电陶瓷元件安装在基板上，基板则构成电路板的一部分。基板第一表面可至少有一条导电印制线，压电陶瓷元件就安装在该导电印制线上。
所述电路板可以是印刷电路板，电路板有若干安装于其上的电子部件。所述电子部件可构成一个放大器。
电路板上可有混合电子电路。该混合电路可构成放大器。上述压电陶瓷元件可有一个周边区，压电陶瓷元件借助于整个周边区而安装在基板上，且仅借此而使压电陶瓷元件整体地振动，同时，保持固定在所述基板上。
压电陶瓷元件可以是压电陶瓷盘。
基板可有成形于该基板第一表面上的凹陷区，压电陶瓷元件与该凹陷区对准，并且配置于其上，而压电陶瓷元件的周边区则安装在第一表面上。
至少有一个小孔可以连到成形于压电陶瓷盘的第一表面和盘状基板之间的空腔，并伴有作用于压电陶瓷盘第二表面的压力，从而，至少可降低空腔中的气压。
基板上可有穿过其中的一个小孔，压电陶瓷元件与该小孔对准并且配置于其上，压电陶瓷元件的周边区安装在上述第一表面上。
基板可用电绝缘材料制成。
电绝缘材料可以是陶瓷。
压电陶瓷元件可用粘合剂安装在基板上。该粘合剂可在压电陶瓷元件和导电印制线之间形成电接触层。该粘合剂可包括掺入环氧树脂中的银。
压电陶瓷元件可由锆钛酸铅制成。
本发明还设法提供一种电振荡器，它可与电路板的一部分构成整体。
据此，本发明还提供了一种电振荡器组件，它包括基板和压电陶瓷元件，后者安装在基板上，该基板构成电路板的一部分。
基板可有第一表面，该基板的第一表面至少有一条导电印制线，压电陶瓷元件就安装在该导电印制线上。
压电陶瓷元件可有一个周边区，压电陶瓷元件借助于整个周边区而安装在基板上，且仅借此而使压电陶瓷元件整体地振动，同时，保持固定在所述基板上。
下面将结合附图，通过实例，对本发明作更详尽的说明，附图中：
图1为先有技术声发射换能器组件的剖视图;
图2为根据本发明的声发射换能器组件的剖视图;
图3为沿图2中箭头D方向的视图;
图4为根据本发明声发射换能器组件的第二实施例的剖视图;
图5为包括本发明的声发射换能器在内的电路板透视图?
图1所示为先有技术的声发射换能器组件10，它包括基板12，压电陶瓷元件14和壳体16。压电陶瓷元件14用粘合剂、胶或粘结剂安装在基板12的第一表面上。压电陶瓷元件14在其远离基板12的表面有导电涂复或涂层22，且在与基板12相邻的表面有导电涂复或涂层20。压电陶瓷元件14的侧边则有电绝缘除复或涂层24。压电陶瓷元件14与基板12相邻的全部表面粘接在基板12上。壳体16固定在基板12上，并封闭住压电陶瓷元件14，以提供机械和电磁保护，壳体16用例如螺纹装配或其它适当手段固定在基板12上。
压电陶瓷元件14与基板12相邻的导电涂层20电连接到壳体16上，以构成接地线。压电陶瓷元件14远离基板12的导电涂层22经由信号引线28电连接到放大器上（未示出），该信号引线经接头26电连接到导电涂层22。信号引线28构成同轴电缆30的一部分。
本实施例中所示的基板12为黄铜，它可提供与压电陶瓷元件14相关的良好声阻抗匹配。基板12的第二表面有一电绝缘层18，该绝缘层18可以是陶瓷或环氧树脂涂层。壳体16可以是铝，不锈钢或其它导电材料。基板可以是陶瓷一类的绝缘材料，在该情况下就无需绝缘层，但是，在导电涂层20和壳体16之间要求有电连接。
在工作状态中，该声发射换能器组件16安置在一部件的表面，以感测在此部件内的声发射波，二次声发射波或压力波。在此部件内所产生的声发射波，二次声发射波或压力波经由基板12传送到压电陶瓷元件14。上述声发射波会在压电陶瓷元件14中引起振动，且由于压电或铁电效应使压电陶瓷元件14产生电信号。然后，将该电信号放大和处理，从而获得该部件声发射实际特性的若干细节。
这种类型的声发射换能器组件的问题是：如果压电陶瓷元件预定谐振在40-60千周范围内，也即在相对较低的频率上工作，则该压电陶瓷元件的尺寸必须增加，以便在所要求的频率上于压电陶瓷元件内获得声发射波的谐振。举例来说，对于在60千周时的谐振，压电陶瓷元件的厚度大致为30毫米。要预极化相对较大的压电陶瓷元件相对来说是较为困难的，而使用若干粘接在一起的压电陶瓷元件则更为复杂。
另外，具有相对较大物理尺寸的换能器所导致的必然结果是造成使用中的障碍。
本申请人的另一共同未决中国专利申请（申请人的参考号1856，也根据1987年12月5日递交的英国专利申请8728509号而要求优先权）公开了一种声发射换能器组件，具有与先有技术相比较小的尺寸和较矮的外形，且可相对较容易又廉价地制作，并可在相对较低的频率上使用。
上述共同未决专利申请公开的声发射换能器组件包括安装在基板上的压电陶瓷元件，该基板适宜于将声波耦合到部件的表面，压电陶瓷元件有一个周边区，压电陶瓷元件借助于整个周边区而安装在基板上，且仅借此而使压电陶瓷元件整体地振动，同时，保持固定在所述基板上。
如前所述，先有技术的声发射换能器是与放大和处理设备配合使用的，而后者远离声发射换能器并用导电电缆与其相连。
本发明的声发射换能器100示于图2、3和5中，它包括基板102，压电陶瓷盘104。基板102具有形成于该基板102第一表面上的一般环形凹陷区或凹槽118，还有形成在该基板102第一表面上的第一导电印刷线110和第二导电印制线112。第一导电印制线110完全环绕基板102第一表面上的环形凹陷区或凹槽118的周边而延伸。此第一导电印制线110电连接到接地线。第二导电印制线112电连接到放大器上（未示出）。
压电陶瓷盘104在其第一表面有一导电涂复或涂层108，在其第二表面有一导电涂复或涂层106，还有一环形周边区122。
压电陶瓷盘104安装在基板102上，从而使压电陶瓷盘104与环形凹陷区或凹槽118对准并且配置于其上，压电陶瓷盘104的整个环形周边区122置于第一导电印制线110上。压电陶瓷盘104用胶或粘合剂粘接在基板102上，所述粘合剂在压电陶瓷盘104的导电涂层108和第一导电印制线110之间，利用例如将银掺入环氧树脂中的方法形成电接触层。压电陶瓷盘104上的导电涂层106通过信号引线114和焊接头115、116连接至第二导电印制线112。
在压电陶瓷盘104第一表面和基板102的环形凹陷区118之间形成空腔124，基板102至少提供有一通风小孔126，该通风小孔穿过基板102而连接空腔124，并伴有作用在压电陶瓷盘124第二表面的压力。
基板102为绝缘材料，在本实施例中为陶瓷，它在基板102和压电陶瓷盘104之间提供了良好的声阻抗匹配，基板102构成了印刷陶瓷电路板的一个分，而在该电路板上安装有若干电子部件，且该电路板构成了部分陶瓷基片，如图5所示，后者具有一混合电子线路或厚膜混合电子线路。上述电子部件或混合电子线路构成放大器部件或电路。
压电陶瓷盘104最好为锆钛酸铝多晶体，虽然也可使用其它适当的压电、铁电、电致伸缩或电声多晶体或单晶体。
在工作状态下，声发射换能器组件100置于一部件的表面，以感测该部件内的声发射波，二次声发射波或压力波。在部件中所产生的声发射波，二次声发射波或压力波经由基板102传送至压电陶瓷盘104。可以相信，通过压电陶瓷盘104的挠曲，上述声发射波可使压电陶瓷盘104整体地振荡、谐振或振动，同时，压电陶瓷盘104的环形周边区122保持固定在基板102上，并且，压电陶瓷盘104具有谐振频率。
声发射感应器组件的固有谐振频率取决于压电陶瓷盘的直径、厚度和机械特性。通过改变压电陶瓷盘的直径，改变压电陶瓷盘周边区环形安装面的面积，改变压电陶瓷盘的厚度，或是上述三种改变的组合，对于任何特定的压电陶瓷材料，均可以选择所要求的固有谐振频率。
已经过测试的具有41.5千周的固有谐振频率的声发射换能器组件包括：直径为5毫米、厚度为0.25毫米的压电陶瓷盘，安装在基板上的压电陶瓷盘环周边区的宽度为0.25毫米。
图4中示出本发明的第二种声发射换能器200，它基本上与图2和3中的实施例相同，它包括基板102和压电陶瓷盘104。两种实施例中的主要不同点是：在本实施例中基板102有一穿过其间的小孔218。在基板102的第一表面上形成第一导电印制线110和第二导电印制线112。第一导电印制线110还完全环绕基板102第一表面上小孔218的周边而延伸，第一导电印制线电连接到接地线。
压电陶瓷盘104安装在基板102上，以便使压电陶瓷盘104与该通孔218对准并且配置于其上，压电陶瓷盘104的整个周边区122置于第一印制线110上并粘接其上，压电陶瓷盘104和小孔218同轴配置。
小孔218使作用于压电陶瓷盘104第一和第二表面的压力相等。
这几种声发射换能器组件既可如前所述作为声发射波传感器使用，也可用来产生压力波或模拟声发射波并将其输送至一部件中。
虽然，已描述的声发射换能器是将压电陶瓷盘第一表面的导电涂层电连接到接地线的，而且，压电陶瓷盘第二表面的导电涂层经信号引线连接到放大器上，但是，如果将这种连接颠倒过来，或者将该压电陶瓷盘第一和第二表面上的导电涂层连接到差动放大器的第一和第二输入端上，则其功能上仍是等效的。
仅以压电陶瓷元件的周边区将压电陶瓷元件安装在基板上，这种手段也可用于电振荡器中，它可提供振荡器的谐振频率，以取代调谐电路，也就是含有电感和电容的电路，或者将其电耦合到具有与压电陶瓷元件几乎相同的谐振频率的调谐电路上。
Claims (21)
1、声发射换能器组件包括基板(102)和压电陶瓷元件(104)，该基板(102)适宜于将声波耦合到一部件的表面，压电陶瓷元件(104)安装在基板(102)上，其特征在于基板(102)构成电路板的一部分。
2、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于基板（102）有第一表面，此基板（102）的第一表面至少有一条导电印制线（110），压电陶瓷元件（104）就安装在该导电印制线（110）上。
3、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：该电路板为印刷电路板，若干电子部件就安装于其上。
4、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：该电路板为一混合电子电路。
5、如权利要求3所要求的声发射换能器组件，其特征在于：若干电子部件构成一个放大器。
6、如权利要求4所要求的声发射换能器组件，其特征在于：混合电子电路构成一个放大器。
7、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：压电陶瓷元件（104）有一周边区（122），压电陶瓷元件（104）借助于整个周边区（122）而安装在基板（102）上，且仅借此而使压电陶瓷元件（104）整体地振动，同时保持固定在所述基板（102）上。
8、如权利要求7所要求的声发射换能器组件，其特征在于：基板（102）有一个穿过其中的小孔（218），压电陶瓷元件（104）与该小孔（218）对准并且配置于其上，压电陶瓷元件（104）的周边区（122）安装在导电印制线（110）上。
9、如权利要求7所要求的声发射换能器组件，其特征在于：基板（102）有一形成在该基板（102）第一表面上的凹陷区（118），压电陶瓷元件（104）与该凹陷区（118）对准并且配置于其上，压电陶瓷元件（104）的周边区（122）安装在导电印制线（110）上。
10、如权利要求9所要求的声发射换能器组件，其特征在于：在压电陶瓷元件（104）的第一表面和基板（102）之间形成空腔（120），至少有一小孔（126）内连于空腔（120），并伴有作用于压电陶瓷元件（104）第二表面的任意压力，以便至少可降低空腔（120）中的气压。
11、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：压电陶瓷元件（104）为压电陶瓷盘。
12、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：基板（102）由电绝缘材料制成。
13、如权利要求12所要求的声发射换能器组件，其特征在于：该电绝缘材料为陶瓷。
14、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：压电陶瓷元件（104）用粘合剂粘接在基板（102）上。
15、如权利要求2所要求的声发射换能器组件，其特征在于：粘合剂在压电陶瓷元件（104）和导电印制线（110）之间形成电接触层。
16、如权利要求15所要求的声发射换能器组件，其特征在于：粘合剂包括掺入环氧树脂中的银。
17、如权利要求1所要求的声发射换能器组件，其特征在于：压电陶瓷元件（104）由锆钛酸铅制成。
18、电振荡器组件包括基板（102）和压电陶瓷元件（104），压电陶瓷元件（104）安装在基板（102）上，其特征在于基板（102）构成电路板的一部分。
19、如权利要求18所要求的电振荡器组件，其特征在于：基板（102）有第一表面，基板（102）的所述第一表面至少有一条导电印制线（110），压电陶瓷元件（104）就安装在此导电印制线（110）上。
20、如权利要求18所要求的电振荡器组件，其特征在于：该压电陶瓷元件（104）有一周边区，压电陶瓷元件（104）借助于整个周边区而安装在基板（102）上，且仅借此而使压电陶瓷元件（104）整体地振荡，同时，将保持固定在所述基板（102）上。
21、声发射换能器组件包括基板（102）和压电陶瓷元件（104），基板（102）适宜于将声波耦合至一部件的表面，压电陶瓷元件（104）安装在基板（102）上，基板（102）由绝缘材料构成，其特征在于该基板（102）构成电路板的一部分，基板（102）至少有一条导电印制线（110），压电陶瓷元件（104）安装在导电印制线（110）上，压电陶瓷元件（104）有一周边区（122），且该压电陶瓷元件（104）仅借助于整个周边区（122）而安装在基板（102）上。
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