CN107209053B - 压电式超声检测器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例大体上涉及超声检测器、以及制作所述超声检测器的方法。所述超声检测器可以包括：压电元件，所述压电元件可操作以将声波的压力从机械能转化为电信号；保护盖；热熔性粘合剂；一层或多层焊料；一个或多个穿孔金属电极，所述一个或多个穿孔金属电极包括填充有所述焊料的开口；以及一个或多个支撑元件。所述超声检测器还可以包括：一个或多个外壳元件，所述一个或多个外壳元件可操作以封装和容纳所述超声检测器的其它元件；印刷电路板（PCB），所述印刷电路板可操作以接收来自所述压电元件和电极的超声数据，其中，所述电极连接至所述PCB或者与所述PCB接触；以及绝缘体，所述绝缘体位于靠近所述电极的位置，并且可操作以防止所述金属电极与所述金属外壳元件之间的短路。

Description

压电式超声检测器

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请序列号62/111,407（于2015年2月3日提交的标题为“PIEZOELECTRIC ULTRASONIC DETECTOR”）的优先权，其以引用的方式并入本文。

有关联邦赞助研究或者发展的声明

不适用。

缩微平片附录的引用

不适用。

背景技术

天然气设施、管线以及其部件的气体的泄漏可能对于环境、以及人和动物的健康而言非常危险，尤其是如果该气体有毒、易燃或者具有腐蚀性。如果发生了这种气体泄漏（例如，作为事故），则重要的是尽可能快地检测该泄漏。还可以对该泄漏进行定量的测量以便确定该泄漏是否超过某一警告阈值，并且还确定应该采取的以便阻止该泄漏的任何进一步步骤。因此，气体检测器可以用在这种潜在的气体泄漏的领域中。

附图说明

为了更加彻底地理解本公开，现在将结合附图和详细描述对如下简要描述进行参考，其中，相似的附图标记表示相似的部件。

图1图示了根据本公开的实施例的超声检测器的截面图；

图2A图示了根据本公开的实施例的超声检测器的分解图；以及

图2B图示了根据本公开的实施例的超声检测器的另一分解图。

具体实施方式

首先应理解，尽管下文图示了一个或多个实施例的图示性实施方式，但所公开的系统和方法可以使用任何数量的当前已知的或者还不存在的技术来实施。本公开绝不应限制于下文所图示的图示性实施方式、附图、以及技术，而是可以在所附权利要求书的范围内以及等同物的全部范围内进行修改。

如下术语的简要定义应该应用于整个申请：

术语“包括”意味着包括但不限于，并且应按照其通常在专利语境中使用的方式来进行理解；

短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等通常意味着该短语后面的特定特征、结构或者特点可以包括在本发明的至少一个实施例中，并且可以包括在本发明的不只一个实施例中（重要的是，这些短语不一定指同一实施例）；

如果说明书将某物描述为“示例性的”或者“示例”，则应理解，这指的是非排外性示例；

术语“约”或者“大约”等当与数字一起使用时可以指该特定数字、或者可替代地指该特定数字附近的本领域的技术人员所理解的范围；以及

如果说明书将部件或者特征陈述为“可以”、“能够”、“可”、“应该”、“将”、“优选地”、“可能地”、“通常”、“可选地”、“例如”、“经常”、或者“也许”（或者其它这种语言）被包括或者具有特点，则该特定部件或者特征不要求被包括或者具有该特点。这种部件或者特征可以可选地包括在一些实施例中，或者其可以被排除。

天然气设施、管线以及其部件的气体的泄漏可能对于环境、以及人和动物的健康而言非常危险，尤其是如果该气体有毒、易燃或者具有腐蚀性。如果发生了这种气体泄漏（例如，作为事故），则需要尽可能快地检测该泄漏，并且对其进行定量地测量以便确定气体的泄漏是否超过警告阈值。如果气体超过阈值，则警告可以发出声音，从而允许安全疏散。此外，可能需要关闭和隔离天然气设施的一些部分以便阻止气体泄漏。

在一些情况下，来自加压源的气体泄漏会产生声音，该声音通常具有在可听见范围和超声范围内的频率。超声检测器可以能够检测该超声（在超声频率下），并且因此检测气体泄漏。超声检测器将用信号表示该超声的水平，因而如果超声水平超过某一预设阈值触发警告。

参照图1，描述了超声检测器100。超声检测器100包括压电元件106，该压电元件106可操作以将声波的压力从机械能转化为电信号。通过箭头101图示了来自环境的超声声波。超声检测器100进一步包括保护盖102、热熔性粘合剂103（其可以用作声学填料）、具有填充有焊料的开口（孔和槽）112和114的一个或多个穿孔金属电极104和108、一层或多层焊料105和107、包括银电极的压电传感元件106、以及支架110。在一些实施例中，保护盖102可以包括低密度材料，诸如，聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯（PE）、或者另一种低密度材料。所描述的元件中的一个或多个可以利用粘合剂附接至彼此。

压电元件106可以被焊接至将其连接至电子电路的穿孔金属电极104和108。（多个）金属电极104和108的穿孔允许按照为宽泛范围的温度提供稳定性的方式将（多个）电极104和108附接至压电元件106，因为这些孔112和114填充有焊料材料。穿孔还简化了焊接过程，因为焊膏105和107容易地穿透穿孔的孔112和114并且阻止压电元件106的（多个）银电极在焊接过程期间溶解在焊料中。热熔性粘合剂103用作用于压电元件106的超声暴露区域与保护盖102之间的空间的声学填料。熔融的热熔性材料在与压电元件和外壳接触时凝固从而阻止泄漏到壳体中，同时维持极好的声学和防水密封性能。热熔性材料在几分钟内冷却，从而允许制造过程更简单。

对用于超声检测器100的保护盖102使用低密度材料是有利的，因为其在宽泛温度范围内对许多侵蚀性化学品具有抵抗性，但允许超声波穿过到压电元件106。在其它应用中，压电元件可以利用导电胶和焊料导电地连接至金属电极。申请人已经发现焊接至压电元件106的穿孔金属电极104和108能够承受多次温度冲击，这可以涉及或者表明装置的老化和环境对其的影响。

现在参照图2A至图2B，示出了超声检测器200的两个分解图。超声检测器200可以类似于图1的超声检测器100，其中，超声检测器200可以包括压电元件206、保护盖202、热熔性粘合剂203（其可以用作声学填料）、一个或多个穿孔金属电极204和208、以及支架210，其中，这些元件可以类似于在图1中描述的压电元件106、保护盖102、热熔性粘合剂103、穿孔金属电极104和108、以及支架110。

此外，超声检测器200可以包括一个或多个外壳元件220和222，该一个或多个外壳元件220和222可操作以封装和容纳超声检测器200的其它元件。在一些实施例中，外壳元件220和222可以包括金属材料并且可以通过一个或多个螺钉224保持在一起。在一些实施例中，超声检测器200可以包括印刷电路板（PCB）230，该印刷电路板230可操作以接收来自压电元件206和电极204和208的超声数据，其中，电极204和208可以连接至PCB 230或者与PCB230接触。在一些实施例中，超声检测器200可以包括支撑元件和/或隔离元件以支撑和隔离超声检测器200的其它元件。例如，泡沫支架226可以位于外壳元件220和222内。此外，绝缘体228（其可以由塑料材料制成）可以位于靠近电极204和208的位置，并且可以可操作以防止金属电极204和208与金属外壳元件220和222之间的短路。

将（多个）电极焊接至压电元件可以是在+280摄氏度（℃）的温度下进行的，长达4秒钟。该温度低于压电材料的居里温度（其为+300摄氏度），并且这会保护压电元件以防失去其灵敏度。

使用低密度材料作为超声传感器的前保护层允许阻止超声传感器的金属体与仪器封壳的金属体之间的双金属腐蚀，因为这两者可能是由不同的金属制成的。其上具有O形环的保护盖将超声传感器密封在主要仪器封壳内部。

本公开的一些实施例可以包括用于形成超声检测器的一种或多种方法。该方法可以包括：提供压电元件，该压电元件可操作以将声波的压力从机械能转化为电信号；将压电元件焊接至具有填充有焊料材料的孔和槽的一个或多个穿孔金属电极；附接包括低密度材料的保护盖，该低密度材料可操作以允许声音穿过到压电元件；将一个或多个电极附接至印刷电路板；以及将上述元件中的至少一些组装在外壳内。

在一些实施例中，附接保护盖可以包括：在保护盖与压电元件之间附接热熔性粘合剂，其中，热熔性粘合剂用作声学填料。在一些实施例中，方法可以进一步包括：在外壳内提供一个或多个支撑元件以支撑各元件并且防止各元件在外壳内的运动。在一些实施例中，方法可以进一步包括：提供一个或多个隔离元件以便使金属电极与外壳隔离。

本公开的实施例包括超声检测器，该超声检测器包括：压电元件，该压电元件可操作以将声波的压力从机械能转化为电信号；包括低密度材料的保护盖；用作声学填料的热熔性粘合剂；一个或多个穿孔金属电极，该一个或多个穿孔金属电极具有填充有焊料的孔和槽；一层或多层焊料；以及一个或多个支撑元件。

在一些实施例中，超声检测器可以进一步包括：一个或多个外壳元件，该一个或多个外壳元件可操作以封装和容纳超声检测器的其它元件；印刷电路板（PCB），该印刷电路板可操作以接收来自压电元件和电极的超声数据，其中，电极连接至PCB或者与PCB接触；以及绝缘体（其可以由塑料材料制成），该绝缘体位于靠近电极的位置，并且可操作以防止金属电极与金属外壳元件之间的短路。

在一些实施例中，外壳元件通过一个或多个螺钉保持在一起。在一些实施例中，将压电元件焊接至穿孔金属电极，并且其中，金属电极将压电元件连接至电子电路。在一些实施例中，焊料材料填充金属电极的穿孔、孔、以及槽，从而允许按照为宽泛范围的温度提供稳定性的方式将电极附接至压电元件。在一些实施例中，热熔性粘合剂用作用于压电元件的超声暴露区域与保护盖之间的空间的声学填料。在一些实施例中，熔融的热熔性材料在与压电元件和外壳接触时冷冻从而阻止泄漏到壳体中，同时维持极好的声学和防水密封性能。在一些实施例中，保护盖包括聚四氟乙烯（PTFE）和聚乙烯（PE）中的一种。在一些实施例中，保护盖的低密度材料在宽泛温度范围内对许多侵蚀性化学品具有抵抗性，但允许超声波穿过到压电元件。在一些实施例中，将（多个）电极焊接至压电元件可以是在+280摄氏度（℃）的温度下进行的，长达4秒钟。在一些实施例中，超声检测器进一步包括一层或多层粘合剂，该一层或多层粘合剂可操作以附接一个或多个上述元件。

尽管上文已经示出和描述了根据本文公开的原理的各个实施例，但本领域的技术人员在不背离本公开的精神和教导的情况下可以对其作出修改。本文所描述的实施例仅仅是代表性的并且不意在具有限制性。许多变型、组合、以及修改是可能的并且在本公开的范围内。通过对（多个）实施例的特征进行组合、整合、和/或省略而得出的替代实施例也在本公开的范围内。相应地，保护范围不受上文陈述的描述的限制，而是由随附的权利要求来限定，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。每条和每个权利要求均包含在说明书中作为进一步公开，并且权利要求是（多项）发明的（多个）实施例。此外，上文描述的任何优点和特征均可以涉及特定实施例，但不应将这样发布的权利要求的应用限制于完成任何或所有上述优点的或者具有任何或所有上述特征的过程和结构。

此外，本文使用的章节标题是提供用于与37 C.F.R. 1.77下的建议相一致或者如若不然提供组织线索。这些标题不应限制可以从本公开发布出的任何权利要求中陈述的（多项）发明或者以该发明为特征。具体地，并且举例来说，尽管这些标题可以指“技术领域”，但权利要求书不应受到该标题下选择用于描述所谓的领域的语言的限制。进一步地，在“背景技术”中对技术的描述不应理解为承认某种技术是本公开中任何（多项）发明的现有技术。“发明内容”也不应理解为发布的权利要求书中陈述的（多项）发明的限制性特点。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何参照均不应该用于表示本公开中只有单个新颖点。可以根据本公开发布的多项权利要求的限制性来陈述多项发明，并且这些权利要求相应地定义出受其保护的（多项）发明、以及其等同物。在所有情况下，均应根据本公开按照实情来理解权利要求书的范围，并且该范围不应受到本文陈述的标题的限制。

诸如“包括”、“包含”、以及“具有”等广义术语的使用应理解为给诸如“由……组成”、“基本上由……组成”、以及“大体上由……组成”等狭义术语提供支持。针对实施例的任何元件使用的术语“可选地”、“可以”、“也许”、“可能地”等意味着该元件不是必需的，或者可替代地，该元件是必需的，这两种替代方式均在（多个）实施例的范围内。同样，对示例的参考仅仅提供用于图示性目的，并且不意在具有排外性。

尽管本公开中已经提供了多个实施例，但应理解，在不背离本公开的精神或者范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其它具体形式来体现。本发明的示例应被看作是图示性的并且没有限制性，并且意图不应限制于本文给出的细节。例如，可以将各个元件或者部件组合或者整合在另一个系统中，或者可以省略某些特征或者不进行实施。

同样，在不背离本公开的范围的情况下，可以将各个实施例中分立地或者单独地描述和图示的技术、系统、子系统、以及方法与其它系统、模块、技术、或者方法进行组合或者整合。所示出或者所讨论的彼此直接联接或者通信的其它物品可以电气地、机械地、或者按照其它方式通过一些界面、装置、或者中间部件来间接地联接或者通信。本领域的技术人员在不背离本文公开的精神和范围的情况下可以确定并且可以作出修改、替换、以及更改的其它示例。

Claims (9)

1.一种超声检测器（100），所述超声检测器（100）包括：

压电元件（106），所述压电元件（106）被构造为将由气体泄漏产生的超声波的压力从机械能转化为电信号；

一个或多个穿孔金属电极（104、108），所述一个或多个穿孔金属电极（104、108）位于靠近所述压电元件（106）的位置并包括多个开口（112、114）；

一层或多层焊料（105、107），所述一层或多层焊料（105、107）被构造为将所述一个或多个电极（104、108）附接至所述压电元件（106）并被构造为填充所述一个或多个电极（104、108）的所述多个开口（112、114）；

保护盖（102），所述保护盖（102）位于组合的压电元件（106）和一个或多个电极（104、108）的第一表面上；

热熔性粘合剂（103），所述热熔性粘合剂（103）设置在所述保护盖和压电元件之间并且被构造为将所述保护盖（102）附接至所述组合的压电元件（106）和一个或多个电极（104、108）的所述第一表面；

警告装置；以及

一个或多个支撑元件（110），所述一个或多个支撑元件（110）位于所述组合的压电元件（106）和一个或多个电极（104、108）的与所述第一表面的相对的表面上，其中，所述超声检测器被构造为检测超声并且确定所检测到的超声是否超过与所述气体泄漏关联的预设阈值，并且被构造成当超过所述预设阈值时触发所述警告装置。

2.根据权利要求1所述的超声检测器（100），所述超声检测器进一步包括：

一个或多个外壳元件（220、222），所述一个或多个外壳元件（220、222）被构造为封装和容纳所述超声检测器（100）的其它元件；

印刷电路板（230），所述印刷电路板（230）被构造为接收来自所述压电元件（106）和电极（104、108）的超声数据，其中，所述电极（104、108）连接至所述印刷电路板（230）或者与所述印刷电路板（230）接触；以及

绝缘体（228），所述绝缘体（228）位于靠近所述电极（104、108）的位置，并且被构造为防止金属电极（104、108）与金属外壳元件（220、222）之间的短路。

3.根据权利要求1所述的超声检测器（100），其中，所述一层或多层焊料（105、107）包括被构造为将所施加的压力传递至所述超声检测器（100）的压电元件的材料。

4.根据权利要求1所述的超声检测器，其中，所述焊料材料填充所述金属电极（104、108）的所述开口（112、114），从而允许所述电极（104、108）按照为宽泛范围的温度提供稳定性的方式附接至所述压电元件（106）。

5.根据权利要求4所述的超声检测器（100），其中，熔融的所述热熔性粘合剂（103）在与所述压电元件（106）和一个或多个外壳元件（220、222）接触时凝固，从而阻止泄漏到所述超声检测器（100）的外壳中同时维持极好的声学和防水密封性能。

6.根据权利要求1所述的超声检测器（100），其中，所述保护盖（102）的低密度材料在宽泛温度范围内对许多侵蚀性化学品具有抵抗性，但允许所述超声波穿过到所述压电元件。

7.一种用于形成超声检测器的方法，所述方法包括：

提供压电元件，所述压电元件被构造为将由气体泄漏产生的超声波的压力从机械能转化为电信号；

将所述压电元件焊接至具有填充有焊料材料的开口的一个或多个穿孔金属电极；

将保护盖附接至所述压电元件，其中，所述保护盖包括低密度材料，所述低密度材料被构造为允许声音穿过到所述压电元件；

将所述一个或多个电极附接至印刷电路板；以及

将上述元件中的至少一些组装在外壳内，

其中，所述超声检测器被构造为检测超声并且确定所检测到的超声是否超过与所述气体泄漏关联的预设阈值，并且被构造成当超过所述预设阈值时触发警告。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，以低于所述压电元件的压电材料的居里温度的温度来焊接所述压电元件，从而防止在焊接期间损坏所述压电材料。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述超声检测器的压电元件被构造为检测由加压气体源中的泄漏产生的超声。

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