CN103868626B - 一种换能器及热量表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换能器、所述换能器的封装工艺以及使用所述换能器的超声波热量表，所述换能器包括压电陶瓷片和封装所述压电陶瓷片的外壳和底座，所述外壳为一端开口的壳体，所述壳体内侧底部涂有粘胶，所述压电陶瓷片与所述外壳之间通过所述粘胶连接，所述外壳的底部为向下凹陷的弧面底部。本发明的换能器能适应各种恶劣工况，且使用寿命长，输出信号更清晰。

Description

一种换能器及热量表

技术领域

本发明涉及热交换领域，更具体的说，涉及一种换能器及热量表。

背景技术

超声波热量表是利用超声波换能器发射与接收超声波，通过测量超声波在顺、逆流的时间差计算流速的。超声波换能器是超声波热量表的一级传感器，超声波换能器的好坏直接决定了超声波热量表的质量。

一般情况下，超声波换能器是采用压电陶瓷片的压电效应和逆压电效应将电信号转换为超声波信号，经过管段中流动的水后，再将超声波信号转换为电信号。压电陶瓷片的工作环境是高温、高压、浸泡在水中，不经过封装的压电陶瓷裸片，无法在这样的工作环境中正常工作。现有技术中，都是将压电陶瓷片封装上外壳。

超声波换能器的性能参数，如谐振频率，机电耦合系数，机械品质因数、阻抗特性、指向性等，都与压电陶瓷片/的封装工艺有关。不同的封装会导致这些电性能参数不同程度的偏移，进而影响发射与接收效率。另外，压电陶瓷片的封装外壳要保证压电陶瓷片工作在高温、高压、浸泡在水中等恶劣的工作环境中正常使用，不会损坏。因此，压电陶瓷片的封装工艺对超声波热量表的测量精度和正常使用至关重要。

换能器一般采用圆柱形的薄片压电陶瓷片，正反两面分别是正、负电极。现有的压电陶瓷片封装方式是用导电胶将压电陶瓷片与薄膜外壳粘合。现有的换能器技术存在的缺点：压电陶瓷片因长期浸泡在水中或在湿度较大的环境中工作，且容易受外界环境的高温、高压以及静电的影响，信号准确率低且寿命较短。

发明内容

本发明的目的之一在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种换能器；本发明的目的之二在于：解决上述现有技术所述的缺陷提供一种换能器的封装工艺；本发明的目的之三在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种超声波热量表。

本发明为解决上述现有技术的缺陷，提供了一种换能器，包括压电陶瓷片和封装所述压电陶瓷片的外壳和底座，所述外壳为一端开口的壳体，所述壳体内侧底部涂有粘胶，所述压电陶瓷片与所述外壳之间通过所述粘胶连接，所述外壳的底部为向下凹陷的弧面底部使得所述粘胶中间的厚度大于边缘的厚度。

优选地，所述外壳为金属制品部件，所述外壳中声音传播的速度为V，用户选定的超声波频率为f，所述外壳的厚度为H，则H≤V/2f。

压电陶瓷片所采用的封装外壳的厚度越大，超声波在传递过程中的能量损失越大。而外壳的厚度不可能做的无限小，当外壳的厚度小于或等于超声波的半波长的长度时，超声波在传递过程中受外壳厚度的影响最小，信号的准确率比较高。

优选地，所述外壳为不锈钢材质部件，所述压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h≥0.1mm。

本发明的换能器的压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h≥0.1mm，使得超声波在外壳中传递的过程中能量损失进一步降低，且外界对换能器的压力在外壳和粘胶的弹性形变中被抵消掉，极大地降低了压电陶瓷片在外界压力的作用下被压碎的概率。

优选地，所述粘胶为硅胶，压电陶瓷片与外壳的底部之间在中间部位容纳粘胶的距离大于压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h。

本发明的换能器将现有技术的导电胶换成弹性好、流动性好、导热性能不好的硅胶，降低了外界高温和静电对压电陶瓷片的影响。流动性好的硅胶在滴入外壳中时会自动流入凹面内，避免了粘胶分布不均，且流动性好的硅胶还能极大地降低粘胶中的气泡含量。从而避免了超声波在传递过程中因粘胶分布不均或粘胶中的气泡而使得超声波信号失真。

优选地，所述压电陶瓷片上焊接有正、负极引线，所述压电陶瓷片封装在所述底座中，所述压电陶瓷片的正、负极引线从所述底座的底部引出，所述底座的底部填充有灌封胶将所述引线固定住并将所述压电陶瓷片密封封装。

本发明的换能器中采用灌封胶将压电陶瓷片完全密封封装在底座中使得换能器能适应各种高温高压潮湿的恶劣工况。

优选地，所述底座内部设置有向内延伸的凸缘，所述凸缘上方为填充灌封胶的第二空腔，所述凸缘下方为第一空腔，所述凸缘上还设置有供正负极引线通过的通孔部，所述压电陶瓷片安装在第一空腔中并与凸缘保持一定距离以便在所述压电陶瓷片和灌封胶之间留有空腔。

本发明的换能器中压电陶瓷片和灌封胶之间还留有空腔，这个空腔是用于阻止超声波继续沿相同方向传播。

本发明为解决上述现有技术的缺陷，还提供了一种换能器的封装工艺，所述换能器为上述任一项所述的换能器，包括以下步骤：

步骤a）将引线分别焊接到压电陶瓷片的正、负极；

步骤b）将焊接有引线的压电陶瓷片装入底座中，并将引线穿出底座；

步骤c）；在外壳的底部滴入一定体积的粘胶；

步骤d）待粘胶流入底部后将封装有底座的压电陶瓷片装入外壳使得压电陶瓷片和外壳紧密粘合；

步骤e）从底座开口部注入灌封胶，直至将所述底座的开口封住。

优选地，上述工艺步骤的顺序还可以是：步骤a）、步骤b）、步骤e）、步骤c）、步骤d）。

优选地，所述步骤c）具体包括：

将所述外壳水平放置，在所述外壳的底部与侧壁连接处匀速滴入一圈一定体积的粘胶，待所述粘胶自动流入所述外壳的弧面内并在弧面内形成均匀分布的中间厚四周薄的一层粘胶层。

本发明的换能器封装工艺使得换能器的压电陶瓷片得以密封封装；不受外界高压、高温和静电的影响；且超声波在换能器中传播的能量损失小，能最大化的保证超声波信号的准确接收。使得换能器可以在恶劣工况中长时间正常工作。

本发明为解决上述现有技术的缺陷，还提供了一种超声波热量表，包括密封连接的基表和管段，实际使用的时候管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，所述基表内设有密封安装的控制模块，所述管段设有两个外接端口，所述端口内分别设有密封安装且与控制模块电连接的换能器，所述换能器为上述任一项所述的换能器；

所述基表的外壳包括密封连接的上盖和下盖，上盖和下盖的安装接触面设有处于压缩状态的第一密封圈；

所述控制模块包括一块PCB板，所述PCB板焊接有电子元器件的表面覆盖有灌封胶以保护PCB板的印刷电路和电子元器件的引脚；

所述换能器与端口的安装接触面上分别设有第二密封圈；所述端口通过封盖密封封装，封盖内灌注有将换能器密封封装的灌封胶；换能器与端口的侧壁为间隙配合，换能器与端口侧壁的间隙之间填充有灌封胶。

在超声波热量表中使用本发明的换能器，可以使得本发明的超声波热量表也具有上述换能器的相关有益效果，且本发明的超声波热量表通过多重密封的封装工艺和封装结构使得换能器能不受外界环境因素的干扰，在超声波热量表中更好的实现相关工作特性。

本发明的换能器在实际使用过程中，具有以下有益效果：

本发明的换能器通过采用有弧面的外壳封装压电陶瓷片，一方面外壳的弧面结构减小了超声波在穿过外壳的过程中的能量损失；另一方面垂直于压电陶瓷片的压力到达外壳的弧面后分解为延半径方向和垂直于半径方向的两个力，消掉部分压力，减弱了外部对换能器的垂直方向的压力。且外壳和压电陶瓷片的圆心附近两者之间的粘胶厚度因弧面的设置而增大，对外界的压力起到了极大的缓冲作用。避免压电陶瓷因外界压力过大而损坏。

附图说明

图1所示为本发明的换能器的压电陶瓷片焊接好引线的具体实施方式的俯视图；

图2所示为本发明的换能器的压电陶瓷片具体实施方式的主视图；

图3所示为本发明的换能器的封装工艺具体实施方式中压电陶瓷片装到底座中的示意图；

图4所示为本发明的换能器的封装工艺具体实施方式中在外壳内滴入粘胶的示意图；

图5所示为本发明的换能器的封装工艺具体实施方式中将外壳封装到装进底座中的压电陶瓷片上的示意图；

图6所示为本发明的换能器的封装工艺具体实施方式中在底座中注入灌封胶的示意图；

图7所示为图6中D部分的局部放大示意图；

图8所示为本发明的超声波热量表具体实施方式的轴侧示意图；

图9所示为本发明的超声波热量表的基表部分的具体实施方式的爆炸示意图；

图10所示为本发明的超声波热量表的管段部分的具体实施方式的爆炸示意图；

图11所示为超声波在换能器的外壳中的能量衰减率与外壳厚度的关系曲线示意图。

具体实施方式

本发明的换能器及其封装工艺使得换能器的使用寿命大为提高，使用性能得以优化，且能克服极其恶劣的工况，以适应换能器的工作环境。下面结合附图对本发明的换能器、换能器的封装工艺和使用本发明的换能器的超声波热量表进行详细说明：

本说明书中的方位名词都是针对附图中所示的方位，不对本发明的技术方案构成局限。

在实施例1中介绍本发明的换能器的具体实施方式。如图1至图6所示，本发明的换能器包括压电陶瓷片507和封装压电陶瓷片507的外壳509和底座510。外壳509为一端开口的壳体，壳体内侧底部涂有粘胶508，压电陶瓷片507与外壳509之间通过粘胶508连接，外壳509内侧的底部为向下凹陷的弧面底部，也可以说外壳509底部的外侧略微向外凸出。

本发明的换能器通过采用有弧面的外壳封装压电陶瓷片，一方面外壳的弧面结构减小了超声波在穿过外壳的过程中的能量损失；另一方面垂直于压电陶瓷片的压力到达外壳的弧面后分解为延半径方向和垂直于半径方向的两个力，消掉部分压力，减弱了外部对换能器的垂直方向的压力。且外壳和压电陶瓷片的圆心附近两者之间的粘胶厚度因弧面的设置而增大，对外界的压力起到了极大的缓冲作用，从而可以避免压电陶瓷片因外界压力过大而损坏。

具体的，本发明的具体实施方式中外壳509为金属制品部件，比如H59铜。外壳509中声音传播的速度为V，用户选定的超声波频率为f，外壳509的厚度为H，则H≤V/2f。外壳509的厚度控制在上述范围内可以减少超声波在传递过程中的能量损失。

超声波的发射与接收是通过另外的控制模块控制的，为了减少功耗，换能器发射的超声波能量是在一定范围内受到严格控制的，但是控制模块对接收到的超声波能量有要求。因为压电陶瓷片封装外壳具有声阻抗，超声波在传播过程中会有能量损失，压电陶瓷片所采用的封装外壳的厚度越大，超声波在传递过程中的能量损失越大。而外壳的厚度不可能做的无限小。如图5所示，当外壳的厚度小于或等于超声波的半波长，即V/2f的长度时，超声波在传递过程中能量损失能控制在10%范围内，测量的结果会比较准确。

进一步的，本发明的具体实施方式中，外壳509为不锈钢材质部件，比如316L不锈钢。并使压电陶瓷片507与外壳509的底部之间在中间部位容纳粘胶的距离大于压电陶瓷片507与外壳509的底部在外端的距离h。优选地，如图7所示，压电陶瓷片507与外壳509在外端的距离h≥0.1mm，粘胶中的气泡减少使得超声波在外壳509中传递的过程中能量损失进一步降低，且外界对换能器的压力在外壳509和粘胶508的弹性形变中被抵消掉，极大地降低了压电陶瓷片507在外界压力的作用下被压碎的概率。

具体的，本发明的换能器的具体实施方式中粘胶508为硅胶。本发明的换能器将现有技术的导电胶换成弹性好、流动性好、导热性能不好的硅胶，降低了外界高温和静电对压电陶瓷片的影响。流动性好的硅胶在滴入外壳中时会自动流入凹面内，避免了粘胶分布不均，且流动性好的硅胶还能极大地降低粘胶中的气泡含量。从而避免了超声波在传递过程中因粘胶分布不均或粘胶中的气泡而使得超声波信号失真。具体硅胶滴入的量根据外壳的尺寸大小进行确定，并进行计量，从而保证产品的一致性。

上述压电陶瓷片上焊接有正、负极引线（502、501），压电陶瓷片507封装在底座中，压电陶瓷片507的正、负极引线（502、501）分别从底座的底部引出，底座的底部填充有灌封胶4将引线（502、501）固定住并将压电陶瓷片507密封封装。本发明的换能器中采用灌封胶将压电陶瓷片完全密封封装在底座中使得换能器能适应各种高温高压潮湿的恶劣工况。

具体的如图6所示，本发明的底座510为两端开口的筒状结构，底座的一端开口设有两个引线柱503。压电陶瓷片507的正、负极引线（502、501）分别缠绕在两个引线柱503上。底座5内部设置有向内延伸的凸缘506，凸缘506上方为填充灌封胶的第二空腔504，凸缘506下方为第一空腔505，凸缘506上还设置有供正负极引线通过的通孔部，压电陶瓷片507安装在第一空腔505中，第二空腔504中为灌入的灌封胶4。压电陶瓷片507并没有完全充满整个第一空腔505。本发明的换能器中压电陶瓷片和灌封胶之间还留有空腔，这个空腔是用于阻止超声波继续沿相同方向传播。

实际使用的时候，给压电陶瓷片一个固定数值的电压，压电陶瓷片就会随电压和频率的变化产生机械变形，从而向外发出超声波，即把电信号转化成超声波信号。或者当压电陶瓷片受到一定压力并产生振动的时候，压电陶瓷片会产生电荷向外发出电信号，即把力转化为电信号。

本发明的实施例2提供一种上述换能器的封装工艺，包括以下步骤：

步骤a）将引线分别焊接到压电陶瓷片的正、负极；

步骤b）将焊接有引线的压电陶瓷片装入底座中，并将引线穿出底座的通孔部；

步骤c）；在外壳的底部滴入一定体积的粘胶；

步骤d）待粘胶流入底部后将封装有底座的压电陶瓷片装入外壳使得压电陶瓷片和外壳紧密粘合；

步骤e）从底座开口部注入灌封胶，直至将所述底座的开口封住。

特别的，上述工艺步骤的顺序还可以是：步骤a）、步骤b）、步骤e）、步骤c）、步骤d）。

进一步的，上述步骤c）具体包括：

将所述外壳水平放置，在所述外壳的底部与侧壁连接处519匀速滴入一圈一定体积的粘胶，待所述粘胶自动流入所述外壳的弧面内并在弧面内形成均匀分布的中间厚四周薄的一层粘胶层。

本发明的换能器封装工艺使得换能器的压电陶瓷片得以密封封装；不受外界高压、高温和静电的影响；且超声波在换能器中传播的能量损失小，能最大化的保证超声波信号的准确接收。使得换能器可以在恶劣工况中长时间正常工作。

具体使用的时候，其中一个换能器接到一个电压信号，将电压信号转换成超声波信号，超声波信号在水中逆流/顺流经过反射到达第二个换能器，超声波到达第二个换能器的外壳时对外壳产生一定压力，对第二个换能器的压电陶瓷片产生一个作用力是的第二个换能器将接收到的超声波信号转化成电信号。与此同时第二个换能器也进行上述工作步骤。超声波在水中顺流/逆流到达第一换能器。通过比较两个换能器接收到电压信号之间的时差，根据超声波在水中顺逆流的速度即可计算出水流速度，从而计算出水流量，再根据水的及时温度计算出用户所使用的热量。

在实施例3中介绍使用上述换能器的超声波热量表，如图7所示，本实施例的超声波热量表包括两个换能器5，换能器为实施例1中所述的换能器，在此不赘述。

如图8所示，本发明的超声波热量表包括密封连接的基表和管段，实际使用的时候管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接。

如图9所示，基表内设有密封安装的控制模块，管段设有两个外接端口301，端口内分别设有密封安装且与控制模块电连接的换能器5。

基表的外壳包括上盖411和下盖421，上盖411和下盖421之间密封固定连接，上盖411和下盖421的安装接触面设有处于压缩状态的第一密封圈401。

控制模块包括一块PCB板403和显示屏413，控制模块与电源402电连接。PCB板403焊接有电子元器件的表面覆盖有灌封胶以保护PCB板403的印刷电路和电子元器件的引脚。

如图10所示，换能器5与端口（301、302）的安装接触面上分别设有第二密封圈405；外接端口通过封盖406密封封装，封盖406内灌注有将换能器密封封装的灌封胶；换能器5与端口（301、302）的侧壁（311、312）为间隙配合，换能器5与端口侧壁（311、312）的间隙之间填充有灌封胶。

具体的，端口（301、302）与管段3内腔的连接处设有台阶状的肩部404，换能器5与肩部404压紧接触，换能器5与肩部404的安装接触面之间设有处于压缩状态的第二密封圈405；换能器5和封盖406之间设有隔离板，隔离板和封盖406围合的空间灌注有灌封胶。

在本实施例中，换能器5和封盖406之间从上到下依次设有金属盖板416和塑料盖板426。端口（301、302）的端部分别设有封盖安装台321、322。金属盖板416固定安装在封盖安装台（321、322）上，塑料盖板426安装在金属盖板416和换能器5之间。

金属盖板416和塑料盖板426中间部分对应换能器引线柱的部分开设有通孔。封盖406固定安装在金属盖板416上，封盖406和金属盖板416之间形成的空腔内填充油灌封胶。封装的时候从封盖406顶部的引线出口中灌入灌封胶，灌封胶向下流动充满端口内剩余的空隙，以实现二次密封和防震的作用。

具体使用的时候，其中一个换能器接到一个电压信号，将电压信号转换成超声波信号，超声波信号在水中逆流/顺流经过反射到达第二个换能器，超声波到达第二个换能器的外壳时对外壳产生一定压力，对第二个换能器的压电陶瓷片产生一个作用力是的第二个换能器将接收到的超声波信号转化成电信号。与此同时第二个换能器也进行上述工作步骤。超声波在水中顺流/逆流到达第一换能器。通过比较两个换能器接收到电压信号之间的时差，根据超声波在水中顺逆流的速度即可计算出水流速度，从而计算出水流量，再根据水的及时温度计算出用户所使用的热量。

本实施例的超声波热量表通过使用本发明的换能器，解决了现有技术的超声波热量表不能长时间在恶劣工况中正常使用的缺陷。

以上对本发明所提供的换能器、换能器的封装工艺以及热量表分别进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种换能器，其特征在于，包括压电陶瓷片和封装所述压电陶瓷片的外壳和底座，所述外壳为一端开口的壳体，所述壳体内侧底部涂有粘胶，所述压电陶瓷片与所述外壳之间通过所述粘胶连接，所述外壳的底部为向下凹陷的弧面底部使得所述粘胶中间的厚度大于边缘的厚度。

2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述外壳为金属制品部件，所述外壳中声音传播的速度为V，用户选定的超声波频率为f，所述外壳的厚度为H，则H≤V/2f。

3.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述外壳为不锈钢材质部件，所述压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h≥0.1mm。

4.根据权利要求3所述的换能器，其特征在于，所述粘胶为硅胶，压电陶瓷片与外壳的底部之间在中间部位容纳粘胶的距离大于压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h。

5.根据权利要求4所述的换能器，其特征在于，所述压电陶瓷片上焊接有正、负极引线，所述压电陶瓷片封装在所述底座中，所述压电陶瓷片的正、负极引线从所述底座的底部引出，所述底座的底部填充有灌封胶将所述引线固定住并将所述压电陶瓷片密封封装。

6.根据权利要求5所述的换能器，其特征在于，所述底座内部设置有向内延伸的凸缘，所述凸缘上方为填充灌封胶的第二空腔，所述凸缘下方为第一空腔，所述凸缘上还设置有供正负极引线通过的通孔部，所述压电陶瓷片安装在第一空腔中并与凸缘保持一定距离以便在所述压电陶瓷片和灌封胶之间留有空腔。

7.一种换能器的封装工艺，其特征在于，所述换能器为权利要求1-6任一项所述的换能器，包括以下步骤：

步骤a）将引线分别焊接到压电陶瓷片的正、负极；

步骤b）将焊接有引线的压电陶瓷片装入底座中，并将引线穿出底座；

步骤c）；在外壳的底部滴入一定体积的粘胶；

步骤d）待粘胶流入底部后将封装有底座的压电陶瓷片装入外壳使得压电陶瓷片和外壳紧密粘合；

步骤e）从底座开口部注入灌封胶，直至将所述底座的开口封住。

8.根据权利要求7所述的换能器的封装工艺，其特征在于，上述工艺步骤的顺序还可以是：步骤a）、步骤b）、步骤e）、步骤c）和步骤d）。

9.根据权利要求8所述的换能器的封装工艺，其特征在于，所述步骤c）具体包括：

将所述外壳水平放置，在所述外壳的底部与侧壁连接处匀速滴入一圈一定体积的粘胶，待所述粘胶自动流入所述外壳的弧面内并在弧面内形成均匀分布的中间厚四周薄的一层粘胶层。

10.一种超声波热量表，包括密封连接的基表和管段，实际使用的时候管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，其特征在于，所述基表内设有密封安装的控制模块，所述管段设有两个外接端口，所述端口内分别设有密封安装且与控制模块电连接的换能器，所述换能器为权利要求1-6任一项所述的换能器；

所述基表的外壳包括密封连接的上盖和下盖，上盖和下盖的安装接触面设有处于压缩状态的第一密封圈；

所述控制模块包括一块PCB板，所述PCB板焊接有电子元器件的表面覆盖有灌封胶以保护PCB板的印刷电路和电子元器件的引脚；

所述换能器与端口的安装接触面上分别设有第二密封圈；所述端口通过封盖密封封装，封盖内灌注有将换能器密封封装的灌封胶；换能器与端口的侧壁为间隙配合，换能器与端口侧壁的间隙之间填充有灌封胶。