CN107990924A - 一种超声波传感器 - Google Patents

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杨才源
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Abstract

一种超声波传感器，包括：外壳，是下部封闭的柱状体；塑胶匹配片、压电片和背衬，由下至上依次设置在外壳内的底部，其中，压电片具有正极和负极；灌封胶，灌注胶设置在背衬上面，将塑胶匹配片、压电片和背衬固封在外壳内；信号线，包括正极信号线和负极信号线，且分别与压电片的正极和负极电连接，信号线从压电片向上穿透背衬和灌封胶延伸出来；其中，塑胶匹配片是塑胶材质。本发明采用塑胶匹配片作为压电片与外壳之间的匹配层，避免了胶层厚度的复杂控制工艺，在保持产品高灵敏度和高分辨率的同时，抗外界冲击能力提升，能够更好保护压电片和超声波传输有效性。在背衬与压电片之间形成空气层，在提升灵敏度的同时不降低产品原有的分辨率。

Description

一种超声波传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地说，涉及一种超声波传感器。
背景技术
超声波传感器是计量的关键部件，通过超声波的传播，在经过能量的转换后，输出模拟信号，计量芯片通过对信号的处理，计算出超声波的传输时间，进而计算出计量介质的特性，如流速、流量、密度、高度等。如图1所示，现有技术中，超声波传感器包括外壳1和信号线4，以及依次由下至上设置于外壳1内底部的匹配层5、压电片2、背衬6和灌封胶7。其中，信号线4的一段连接压电片2的上下电极，并且从压电片2上依次穿透背衬6和灌封胶7延伸出来。其中，压电片2与外壳1的底部之间是采用经过厚度控制程序形成的胶水作为压电片2和外壳1之间的匹配层5。信号的分辨率、灵敏度和稳定性对压电片处理有直接的影响；同时根据传感器的使用环境，还需要本身对压电片具有高强度的保护能力。而分辨率、灵敏度、耐压力能力存在相互制约。
目前对以上问题的解决有如下办法：
1、通过对压电片的背部增加一种或者几种材质混合的背衬，以达到高分辨率的目的。分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。分辨率随背衬厚度的增加而先增加而后缓慢的减小。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值，而灵敏度随背衬厚度的增加而逐渐减小。增加背衬虽然能提高分辨率，但是相应的会损害产品的灵敏度。
2、受限于产品结构的影响，特别是注塑壳体，通过提高外壳和匹配层材质的强度来增加产品的保护能力和产品性能的稳定性(注塑时需考虑材质的流动性和成品的收缩率)，这样就降低了产品的分辨率和灵敏度。
3、或者使用胶水作为压电片和外壳之间的匹配层，使胶水存在一定匹配厚度，但是胶水的厚度工艺上很难控制，同时胶水容易混入空气，会造成灵敏度下降，由于胶水与外壳材质(金属、塑料)属两种材质，膨胀系数会导致两者分离，另胶水的抗冲击弱，外壳受压力微变形后，胶水容易与外壳分离，超声波穿透过程中失效。
综上，以上对灵敏度和分辨率以及保护强度之间的矛盾点并没有解决，第三种方案工艺上要求严格，不利于生产，且存在失效风险。
发明内容
本发明的超声波传感器取消了使用具有一定匹配厚度的胶水作为压电片和外壳之间的匹配层的方法，采用塑胶匹配片作为压电片与外壳之间的匹配层，避免了胶层厚度的复杂控制工艺，从而避免了存在的失效风险。在保持产品高灵敏度和高分辨率的同时，抗外界冲击能力提升，能够更好的保护压电片和超声波传输的有效性，产品具有更高的可靠性。
另外，该超声波传感器还在背衬与压电片之间形成空气层，在提升灵敏度的同时不降低产品原有的分辨率。
为达到以上目的，本发明提供一种超声波传感器，包括：外壳，是下部封闭的柱状体；塑胶匹配片、压电片和背衬，由下至上依次设置在外壳内的底部，其中，所述压电片具有正极和负极；灌封胶，灌注胶设置在所述背衬上面，将所述塑胶匹配片、压电片和背衬固封在外壳内；信号线，包括正极信号线和负极信号线，且分别与压电片的正极和负极电连接，所述信号线从压电片向上穿透背衬和灌封胶延伸出来；其中，塑胶匹配片是塑胶材质。
优选地，所述外壳是具有内台肩的柱状体，背衬和灌封胶由下至上依次设置在台肩上，在背衬与压电片之间形成空气层。
优选地，塑胶匹配片的成份中不添加玻璃纤维、碳纤维类具有增加强度效果的物质。
优选地，塑胶匹配片的密度在1.1g～1.4g/cm3之间，厚度为0.7mm～2.2mm之间。
优选地，塑胶匹配片是采用注塑成型或机加工制成。
优选地，外壳的材质是塑胶，密度在1.3g～1.8g/cm3之间，厚度为1.2mm～2.0mm。
优选地，外壳中添加有玻璃纤维、碳纤维类增强颗粒材料。
优选地，外壳的材质是金属材质，厚度为0.5mm～0.9mm。
优选地，所述塑胶匹配片与外壳之间，以及塑胶匹配片与压电片之间为固定接触连接。
优选地，所述压电片包括位于所述正极和负极之间的压电陶瓷。
本发明的超声波传感器，取消了使用具有一定匹配厚度的胶水作为压电片和外壳之间的匹配层的方法，避免了胶层厚度的复杂控制工艺，从而避免了存在的失效风险。在保持产品高灵敏度和高分辨率的同时，抗外界冲击能力提升，能够更好的保护压电片和超声波传输的有效性，产品具有更高的可靠性。而且，取消了压电片的背衬结构，在背衬与压电片之间形成有空气层，在提升灵敏度的同时不降低产品原有的分辨率。在保持产品高灵敏度和高分辨率的同时，抗外界冲击能力提升，能够更好的保护压电片和超声波传输的有效性，产品具有更高的可靠性。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示现有技术的超声波传感器的剖视图；
图2是表示本发明实施例涉及的超声波传感器的剖视图一；
图3是表示本发明实施例涉及的超声波传感器的剖视图二；
图4是表示本发明实施例涉及的超声波传感器的剖视图三；
图5是表示本发明实施例涉及的超声波传感器的剖视图四；
图6是表示本发明实施例涉及的去掉灌封胶和背衬的超声波传感器的俯视图一；
图7是表示本发明实施例涉及的去掉灌封胶和背衬的超声波传感器的俯视图二；
图8是表示现有技术中背衬厚度对超声波传感器分辨率的影响曲线图；
图9是表示现有技术中背衬厚度对超声波传感器灵敏度的影响曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的超声波传感器的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
如图2所示，本实施例的超声波传感器，包括外壳1和信号线4、以及由下至上依次设置在外壳1内的塑胶匹配片8、压电片2、背衬6和灌封胶7。与现有技术不同，本实施例中的塑胶匹配片8不是胶水层，而是塑胶材质的片体。
下面结合图2来详细说明其结构。外壳1是下部封闭的柱状体，包括侧壁和底壁，底壁将外壳1的底部封闭，外壳1可以是圆柱体，也可以是横截面是多边形或其他封闭曲线的柱状体。塑胶匹配片8和压电片2由下至上依次设置在外壳1内的底壁上，其中，塑胶匹配片8不是采用具有一定匹配厚度的胶水形成的，而是采用塑胶材质。压电片2包括正极和负极以及位于正极和负极之间的压电陶瓷，其中，正极和负极分别形成在压电陶瓷的上表面和下表面。外壳1和塑胶匹配片8的下表面之间为固定接触连接。同样地，塑胶匹配片8的上表面和压电片2的下表面之间也是固定接触连接。背衬6和灌封胶7依次设置在压电片2上，灌封胶7将塑胶匹配片8、压电片2、背衬6固封在外壳1内。信号线4包括正极信号线401和负极信号线402，正极信号线401与压电片2的正极电连接，负极信号线402与压电片2的负极电连接，信号线4从压电片2向上穿透背衬6和灌封胶7延伸出来。
在一个可选实施例中，外壳1和塑胶匹配片8的下表面之间，以及塑胶匹配片8的上表面和压电片2的下表面之间的固定接触连接包括粘接、压接等连接方式，使得外壳1和塑胶匹配片8的下表面之间，以及塑胶匹配片8的上表面和压电片2的下表面之间一体地形成，不产生相互的移动。例如，可以采用胶水粘接。或者，可以施加一定的压力将外壳1、塑胶匹配片、压电片固定接触连接在一起。
在一个可选实施例中，塑胶匹配片8的成份中不添加类似玻璃纤维、碳纤维类具有增加强度效果的物质。
在一个可选实施例中，塑胶匹配片8的密度在1.1g～1.4g/cm3之间，厚度为0.7mm～2.2mm之间。
在一个可选实施例中，塑胶匹配片8可以是注塑成型也可以是机加工制成，机加工优选CNC(数控机床)加工。
在一个可选实施例中，外壳1的材质是塑胶材料，优选高强度的塑胶材料，可以在外壳1的材质中添加玻璃纤维、碳纤维类增强颗粒材料。
在一个可选实施例中，塑胶材料的外壳1的密度在1.3g～1.8g/cm3之间，厚度为1.2mm～2.0mm。
在一个可选实施例中，外壳1的材质是金属材质，厚度为0.5mm～0.9mm。
在一个可选实施例中，金属材质的外壳1可以是例如铜、不锈钢。
根据以上结构的塑胶匹配片材质和外壳材质的不同可以匹配出不同的超声波传感器，以下以具体的数据实例来说明：
第一实例
超声波传感器的塑胶匹配片8的密度为1.32g/cm3，厚度为0.8mm，而外壳1则采用塑胶材质(密度：1.75g/cm3、厚度为1.35mm)，压电片的频率为990KHZ，可达到良好的传感效果。
第二实例
超声波传感器的塑胶匹配片8的密度为1.32g/cm3，厚度为2.0mm，而外壳1保护为塑胶材质(密度：1.75g/cm3、厚度为1.35mm)，压电片的频率为990KHZ，可达到良好的传感效果。
第三实例
超声波传感器的塑胶塑胶匹配片8的密度为1.32g/cm3，厚度为1.4mm，而外壳1保护为金属材质(密度：7.7g/cm3、厚度为0.58mm)，压电片的频率为990KHZ，可达到良好的传感效果。
在一个可选实施例中，如图3所示，所述外壳1是具有内台肩101的柱状体，背衬6和灌封胶7由下至上依次设置在内台肩101上，在背衬6与压电片2之间形成空气层3，在提升灵敏度的同时不降低产品原有的分辨率。
分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。超声波输出响应曲线的峰值电压与余振峰值电压的幅值比越大，超声波传感器的分辨率越好。图8是现有技术中背衬厚度对超声波传感器分辨率的影响曲线，如图8所示，幅值比随背衬厚度的增加而先增加而后缓慢减小。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值。超声波传感器的最大输出电压越高，其灵敏度越高。图9是现有技术中背衬厚度对超声波传感器灵敏度的影响曲线，如图9所示，最大输出电压随背衬厚度的增加而逐渐减小。可见背衬虽然能够在一定程度上提高分辨率，但是却损失了灵敏度。如上所述，在图3中采用空气层将背衬和压电片分隔开，在提升灵敏度的同时不降低产品原有的分辨率。
在一个可选实施例中，如图4所示，外壳的侧壁依次向外向上弯折形成所述内台肩101和外台肩102。
在一个可选实施例中，如图5至图7所示，在外壳1内向内侧延伸出一个或多个凸台104。例如，如图6所示，凸台104是一个环形的凸台，或者如图7所示，可以是多个沿周向间隔设置的凸台。且多个凸台104具有等高的上表面，在凸台104的上表面放置背衬6，以便于在背衬6与压电片2之间形成空气层3。
本发明的超声波传感器，取消了使用具有一定匹配厚度的胶水作为压电片和外壳之间的匹配层的方法，避免了胶层厚度的复杂控制工艺，从而避免了存在的失效风险。在保持产品高灵敏度和高分辨率的同时，抗外界冲击能力提升，能够更好的保护压电片和超声波传输的有效性，产品具有更高的可靠性。而且，取消了压电片的背衬结构，在背衬与压电片之间形成有空气层，在提升灵敏度的同时不降低产品原有的分辨率。在保持产品高灵敏度和高分辨率的同时，抗外界冲击能力提升，能够更好的保护压电片和超声波传输的有效性，产品具有更高的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波传感器，包括：
外壳，是下部封闭的柱状体；
塑胶匹配片、压电片和背衬，由下至上依次设置在外壳内的底部，其中，所述压电片具有正极和负极；
灌封胶，灌注胶设置在所述背衬上面，将所述塑胶匹配片、压电片和背衬固封在外壳内；
信号线，包括正极信号线和负极信号线，且分别与压电片的正极和负极电连接，所述信号线从压电片向上穿透背衬和灌封胶延伸出来；
其中，塑胶匹配片是塑胶材质。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其中，所述外壳是具有内台肩的柱状体，背衬和灌封胶由下至上依次设置在台肩上，在背衬与压电片之间形成空气层。
3.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其中，塑胶匹配片的成份中不添加璃纤维、碳纤维类具有增加强度效果的物质。
4.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其中，塑胶匹配片的密度在1.1g～1.4g/cm3之间，厚度为0.7mm～2.2mm之间。
5.根据权利要求1所述的超声波传感器，其中，塑胶匹配片是采用注塑成型或机加工制成。
6.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其中，外壳的材质是塑胶，密度在1.3g～1.8g/cm3之间，厚度为1.2mm～2.0mm。
7.根据权利要求6所述的超声波传感器，其中，外壳中添加有玻璃纤维、碳纤维类增强颗粒材料。
8.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其中，外壳的材质是金属材质，厚度为0.5mm～0.9mm。
9.根据权利要求8所述的超声波传感器，其中，所述塑胶匹配片与外壳之间，以及塑胶匹配片与压电片之间为固定接触连接。
10.根据权利要求1或2所述的超声波传感器，其中，所述压电片包括位于所述正极和负极之间的压电陶瓷。
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