CN103464360A - 应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，包括外壳和芯体振子，外壳包括圆柱形筒体、护罩、喇叭口、垫片和透声窗，喇叭口的上端焊接在护罩上，护罩通过螺纹连接在圆柱形筒体的下端，芯体振子包括紧固螺栓、后端盖、压电晶片、铜电极片、前端盖、匹配层、第一电缆线和第二电缆线，后端盖、压电晶片、铜电极片和前端盖通过紧固螺栓构成复合夹心式振子，第一电缆线的一端与紧固螺栓电性连接，第二电缆线的一端与铜电极片电性连接，前端盖下表面连接有匹配层，垫片和透声窗均与护罩紧密配合，垫片的上表面紧贴在匹配层的下表面，垫片的下表面紧贴在透声窗的上表面。本发明在煤矿井下环境中能进行长距离测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，属于煤矿设备领域。
背景技术
在市场上有很多利用超声波换能器进行测距的仪表，但是这些现有的测距用换能器谐振频率较高，在传播过程中衰减快，回波信号非常小，因此换能器测距量程短，现有技术一般测量距离不超过20米；而且这些换能器未能进行有效的防爆处理，安全等级不高，无法达到煤矿环境用产品的防爆安全等级，不能在煤矿环境中使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，它在煤矿井下环境中能进行长距离测量。
为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，包括外壳和芯体振子，其特征在于：所述外壳包括圆柱形筒体、护罩、喇叭口、垫片和透声窗，喇叭口的上端焊接在护罩上，护罩通过螺纹连接在圆柱形筒体的下端，所述芯体振子包括紧固螺栓、后端盖、压电晶片、铜电极片、前端盖、匹配层、第一电缆线和第二电缆线，后端盖、压电晶片、铜电极片和前端盖通过紧固螺栓构成复合夹心式振子，第一电缆线的一端与紧固螺栓电性连接，第二电缆线的一端与铜电极片电性连接，前端盖下表面连接有匹配层，垫片和透声窗均与护罩紧密配合，并且垫片的上表面紧贴在匹配层的下表面，垫片的下表面紧贴在透声窗的上表面。
进一步，圆柱形筒体的上端焊接有法兰盘，法兰盘上设置有若干螺纹孔。
进一步，圆柱形筒体上部的一侧焊接有防爆接头，所述第一电缆线和第二电缆线通过防爆接头与外部连接。
进一步，法兰盘、圆柱形筒体、护罩和喇叭口均为金属材料制成。
进一步，透声窗为环氧板制作而成。
进一步，护罩与圆柱形筒体之间填充有密封胶。
更进一步，圆柱形筒体和复合夹心式振子之间填充有防爆填充物，该防爆填充物为石英与树脂混合物。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
1、铜电极片把电能导到压电晶片上，压电晶片能够把电能转化成机械能，产生振动，形成超声波，匹配层的作用是超声波在前端盖与空气中传播起匹配作用，最大限度的克服超声波在金属件传播至空气中的衰减，通过调整前端盖和后端盖的尺寸，可以决定换能器的最终频率范围，本发明的频率为18KHz，这个频率在空气中传播时衰减系数最小，适合长距离测量。
2、透声窗由环氧板制作而成，经过声学匹配，可以使声波更好的在空气中传播。
3、采用喇叭口设计，喇叭口可以限制发射声波的波束角，防止声波形成大的发射角，导致测量不准确。
4、圆柱形筒体和复合夹心式振子之间填充有防爆填充物，该防爆填充物为石英与树脂混合物，在压电晶片振荡时，防爆填充物可以有效地隔绝开外界环境和芯体振子之间的联系，使换能器在正常工作时所产生的热量和在故障态时形成的电火花及高温均限制在密封壳体之内，以防止把外界的易燃易爆气体引燃，从而达到防爆要求；同时该防爆混合物还能吸收复合振子非发射方向上产生的杂波，从而提高了换能器灵敏度和分辨率。
附图说明
图1为本发明的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器的主视图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，
如图1~图3所示，一种应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，包括外壳和芯体振子，其特征在于：所述外壳包括圆柱形筒体2、护罩3、喇叭口4、垫片11和透声窗12，喇叭口4的上端焊接在护罩3上，护罩3通过螺纹连接在圆柱形筒体2的下端，所述芯体振子包括紧固螺栓5、后端盖6、压电晶片7、铜电极片8、前端盖9、匹配层10、第一电缆线14和第二电缆线15，后端盖6、压电晶片7、铜电极片8和前端盖9通过紧固螺栓5构成复合夹心式振子，第一电缆线14的一端与紧固螺栓5电性连接，第二电缆线15的一端与铜电极片8电性连接，前端盖9下表面连接有匹配层10，垫片11和透声窗12均与护罩3紧密配合，并且垫片11的上表面紧贴在匹配层10的下表面，垫片11的下表面紧贴在透声窗12的上表面，垫片11可以使芯体振子与透声窗12有效接触，透声窗12可以使声波更好的在空气中传播。
如图2~图3所示，圆柱形筒体2的上端焊接有法兰盘1，法兰盘1上设置有若干螺纹孔，通过螺纹孔可以将它固定在其他物体上。
如图1~图2所示，圆柱形筒体2上部的一侧焊接有防爆接头13，所述第一电缆线14和第二电缆线15通过防爆接头13与外部连接。
法兰盘1、圆柱形筒体2、护罩3和喇叭口4均为金属材料制成。
为了可以使声波更好的在空气中传播，透声窗12为环氧板制作而成。
护罩3与圆柱形筒体2之间填充有密封胶，这样可以使得护罩3与圆柱形筒体2之间密封良好，避免外界易燃易爆气体进入圆柱形筒体2内。
如图2所示，圆柱形筒体2和复合夹心式振子之间填充有防爆填充物，该防爆填充物为石英与树脂混合物，在压电晶片7振荡时，防爆填充物可以有效地隔绝开外界环境和芯体振子之间的联系，使换能器在正常工作时所产生的热量和在故障态时形成的电火花及高温均限制在密封壳体之内，以防止把外界的易燃易爆气体引燃，从而达到防爆要求；同时该防爆混合物还能吸收复合振子非发射方向上产生的杂波，从而提高了换能器灵敏度和分辨率。
本发明的工作原理如下：
铜电极片8把电能导到压电晶片7上，压电晶片7能够把电能转化成机械能，产生振动，形成超声波，匹配层10的作用是超声波在前端盖与空气中传播起匹配作用，最大限度的克服超声波在金属件传播至空气中的衰减，通过调整前端盖9和后端盖6的尺寸，可以决定换能器的最终频率范围，本发明的频率为18KHz，这个频率在空气中传播时衰减系数最小，适合长距离测量，通过匹配层10，透声窗12让换能器尽可能多的向空气中辐射能量，通过喇叭口4限制发射声波的波束角，避免了长距离测量时周围环境度换能器的干扰，使得测量更加准确。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1. 一种应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，包括外壳和芯体振子，其特征在于：所述外壳包括圆柱形筒体（2）、护罩（3）、喇叭口（4）、垫片（11）和透声窗（12），喇叭口（4）的上端焊接在护罩（3）上，护罩（3）通过螺纹连接在圆柱形筒体（2）的下端，所述芯体振子包括紧固螺栓（5）、后端盖（6）、压电晶片（7）、铜电极片（8）、前端盖（9）、匹配层（10）、第一电缆线（14）和第二电缆线（15），后端盖（6）、压电晶片（7）、铜电极片（8）和前端盖（9）通过紧固螺栓（5）构成复合夹心式振子，第一电缆线（14）的一端与紧固螺栓（5）电性连接，第二电缆线（15）的一端与铜电极片（8）电性连接，前端盖（9）下表面连接有匹配层（10），垫片（11）和透声窗（12）均与护罩（3）紧密配合，并且垫片（11）的上表面紧贴在匹配层（10）的下表面，垫片（11）的下表面紧贴在透声窗（12）的上表面。
2.根据权利要求1所述的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，其特征在于：圆柱形筒体（2）的上端焊接有法兰盘（1），法兰盘（1）上设置有若干螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，其特征在于：圆柱形筒体（2）上部的一侧焊接有防爆接头（13），所述第一电缆线（14）和第二电缆线（15）通过防爆接头（13）与外部连接。
4.根据权利要求1所述的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，其特征在于：法兰盘（1）、圆柱形筒体（2）、护罩（3）和喇叭口（4）均为金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，其特征在于：透声窗（12）为环氧板制作而成。
6.根据权利要求1所述的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，其特征在于：护罩（3）与圆柱形筒体（2）之间填充有密封胶。
7.根据权利要求1所述的应用于煤矿环境的远测距用超声波换能器，其特征在于：圆柱形筒体（2）和复合夹心式振子之间填充有防爆填充物。
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