CN103471633A - 一种带加热功能的超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波传感器，具体涉及一种带加热功能的超声波传感器。该超声波传感器包括壳体，声音匹配层，陶瓷电路基底，压电陶瓷片，声音衰减体和连接线；所述连接线包括第一连接线、第二连接线、第三连接线以及第四连接线。该超声波传感器在内部设置加热电路，在传感器处于低温工作状态的时候，可以进行加热处理，有效的保障了传感器在恶劣条件下的温度一致性，避免了冰霜雾等在传感器端面形成的沉积。通过本发明的技术方案，为超声波测量领域提供了一种新的加热电路集成方式，满足了超声波传感器使用环境中对温度的要求。

Description

一种带加热功能的超声波传感器

技术领域

本发明涉及一种超声波传感器，特别涉及一种带加热功能的超声波传感器。

背景技术

超声波传感器被广泛应用在工程测量领域。主要用来测量传输距离和速度等参数。但是在工程测量领域，使用环境往往比较恶劣。尤其在低温环境时，超声波传感器会因为低温而发生精度漂移，另外一旦传感器被冻住，就会大大影响测量效果。

这是因为超声波传感器的核心元件是一种可将电信号与声学信号进行转换的器件(多数是压电片材料)。这个声电转换器所具有的转换效率以及谐振频率等特性会伴随着周围温度的变化而表现不同。为了保证超声波传感器工作温度恒定，一般情况下需要增加外置加热器。这种方式需要增加新的电路，往往成本较高，而且效率并不是非常理想。尤其在超声波风速仪领域，超声波风速仪由超声波传感器和其他电路组成，该仪器一般被安装在气候恶劣的严寒地区，冰雪很容易对超声波传感器产生覆盖。一般的外部加热器很难加热到探头，并需要很大的功耗。这给超声波风速仪的使用带来很多不便。

图1为现有超声波传感器的结构示意图，其中，1表示压电陶瓷片，2为金属壳，3为声音衰减体，4为固定支撑环，5为声音匹配层，6为第一连接线，7为第二连接线，10为线缆。现有超声波传感器，内部无加热装置，当被应用在恶劣的自然环境中，声音匹配层(5)的端面(传感器发射端面)易产生冰霜等沉积物，从而影响传感器的使用，而不适于集成在风速仪中进行高精度的风速测量。

通过在超声波传感器内置入加热器，就能有效保证传感器的工作温度，并降低增加加热器的成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，即外置加热器成本高昂且加热效率不高的问题。提供一种带加热功能的超声波传感器，其结构简单紧凑，测量精度高且成本低廉。

为实现上述目的，本发明提供一种带加热功能超声波传感器，包括：壳体，声音匹配层，陶瓷电路基底，压电陶瓷片，声音衰减体和连接线。交流信号的激励可以使压电陶瓷片产生同频率的机械振动，从而发射出超声波。同时陶瓷电路基底上的加热电路开始工作，并使超声波传感器工作在设定温度下。

进一步，在所述压电陶瓷片和声音匹配层之间有陶瓷电路基底。基底上有连接线，直接连接到电源上。另外压电陶瓷片的另外一极也制作在陶瓷电路基底上。

进一步，在所述陶瓷电路基底上有连接电极和加热电路。通过丝网印刷工艺制成，加热单元厚度为20-40μm，其上方印刷为高温陶瓷基绝缘层，厚度为15-25um。

进一步，所述电极采用金属铜制成，连接电极的厚度为30-65μm。

进一步，所述声音衰减体通过将聚氨基甲酸酯与钨粉以体积比为3：1的比例混合制成或通过将聚氨基甲酸酯与氧化铝以体积比为1：1的比例混合制成。

进一步，所述声音匹配层通过环氧树脂(LY5138)与中空丙烯腈小球(EXPANCEL公司)以体积比1：1混合制成。

有益效果：本发明采用陶瓷电路式加热单元，并放置在压电陶瓷片与声音匹配层间，有效的提高了热量向传感器端面的辐射。由于加热电源采用陶瓷基底，具有与压电陶瓷片相近的声阻特性，有利于振动的传播，从而增加了测量的精度；另外传感器结构简单紧凑，测量精度高，安全可靠。

附图说明

图1为现有超声波传感器的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明陶瓷电路基底的平面示意图。

图中1-压电陶瓷片；2-金属壳；3-声音衰减体；4-固定支撑环；5-声音匹配层；6-第一连接线；7-第二连接线；8-第三连接线；9-第四连接线；10-线缆；11-陶瓷电路基底，11-1-介质板；11-2-加热电路；11-3-连接电极；

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图2所示：壳体2呈圆筒状结构，壳体2内的两端相连通。壳体2内设有声音匹配层5，声音匹配层5上设有陶瓷电路基底11，陶瓷电路基底11上印制连接电极以及加热电路，所述陶瓷电路基底上方设有压电陶瓷片1，压电陶瓷片1与陶瓷电路基底11电连接并对应配合，压电陶瓷片1与声音匹配层5对应配合后能够得到超声波传感器的工作频率。6和7是超声波传感器的两个电极，8和9为加热电路两个端口，并给电路提供电源。所有线路最终通过线缆10进行外部连接。

为了将声音匹配层5、陶瓷电路基底11与压电陶瓷片1安装于壳体2内，所述壳体2内灌注有声音衰减体3。壳体2可以由金属或塑料制成，声音匹配层5及压电陶瓷片1的轴线与壳体2的轴线位于同一直线上，且声音匹配层5的端部与壳体2的端部处于同一水平面上。支撑定位环4套在壳体2上，并与壳体2相对应配合。起定位作用。

如图3所示：所述陶瓷电路基底11包括介质板11-1，呈圆盘状，连接电极11-3呈开口圆环状，连接电极11-3与压电陶瓷片1相连。所述介质板11-1上设有加热电路11-2，加热电路为起到更好的加热效果，特别做成弯曲状，并与连接线8，9分别相连。应用过程中，加热电路11-2根据电源供给情况，进行工作或停止。

压电陶瓷片1与连接电极11-3的表面通过化学粘胶粘接在一起。声音匹配层5与介质板11的另一面也通过化学粘胶粘接在一起。声音衰减体3被填充在壳体2内，用来对压电陶瓷片1产生的向后以及向侧面发出的超声波进行吸收抑制。从而减小该震动对发射端的超声波造成的影响。

当传感器正常工作在低温环境时，只要通过连接线8和9给加热电路提供电源，则该电路就开始加热。使超声波传感器温度正常。具体控制方式由外在控制系统进行控制。这部分并不属于该发明内容。

Claims (5)

1.一种带加热的超声波传感器，包括壳体，声音匹配层，压电陶瓷片，声音衰减体和连接线；其特征在于，还包含陶瓷电路基底。通过该陶瓷电路基底集成加热电路，实现超声波传感器的加热功能。

2.根据权利要求1所述的带加热的超声波传感器，其特征是：所述陶瓷电路基底包括介质板及位于介质板上的连接电极和加热电路。整体电路采用陶瓷厚膜电路的方式制作而成。

3.根据权利要求1所述的带加热的超声波传感器，其特征是：所述陶瓷电路基底通过粘胶和声音匹配层以及压电陶瓷片粘接。

4.根据权利要求1所述的带加热的超声波传感器，其特征是：所述陶瓷电路基底上的电路部分，所其连接电极(11-3)位于介质板(11-1)中心，并呈开口圆环状。

5.根据权利要求1所述的带加热的超声波传感器，其特征是：所述加热电路(11-2)位于介质板(11-1)连接电极(11-3)的外侧，并呈弯曲状。

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