CN112097124B - 一种新型结构加强的次声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型结构加强的次声波传感器，包括双面压电陶瓷元件、封装壳体、导线；封装壳体中设有内凹部，内凹部中设有双面压电陶瓷元件；内凹部中螺纹连接有螺纹套筒；螺纹套筒的顶端向上延伸至超出所述封装壳体的顶端面；螺纹套筒的内腔上部紧密配合有套管，套管的上部向上延伸至超出螺纹套筒的顶端面，且在套管超出螺纹套筒的顶端面部分套接有压缩螺母；位于套管内腔部分的导线的外部紧密包裹有护套层；套管的内侧壁与护套层的外侧壁为紧密配合；双面压电陶瓷元件的下端面与内凹部的底端面之间具有一定的间距；双面压电陶瓷元件和导线与内凹部之间的间隙通过防水胶水层密封填充。该次声波传感器可以有效保护导线与双面压电陶瓷元件。
Description
技术领域
本发明涉及管道泄漏监测超声传感器技术领域，特别涉及一种新型结构加强的次声波传感器。
背景技术
压电传感器可以通过将机械应力转换成电荷来测量压力、力、加速度或应变，它也可以通过将电荷转换成机械波来产生声音。在结构健康监测(SHM)的应用中，压电传感器可用于生成和接收超声波波形以探测结构损伤。同时，压电传感器还可可用于生成和接收次声波波形以探测水系统管道损伤。
压电传感器的主要部件是一个双面压电陶瓷元件，压电陶瓷元件的一面永久地粘合到目标结构上以发送和接收超声波信号。用于结构健康监测的压电传感器通常较薄、较硬且非常脆弱。当传感器安装到目标结构上时，如果被测结构是导体，传感器电极极其容易和被测结构发生短路，这会降低传感器的性能。当多个传感器安装到是导体的目标结构上时，这些传感器可能会发生相互短路。因此，在将压电传感器结合到目标结构上时，要非常小心。一种方法是将压电传感器安装到柔性电路上，并采用环氧树脂将柔性电路与结构粘合在一起。相比将压电传感器裸露在外，这种方法能够为压电传感器提供更好的保护，但当柔性电路弯曲在压电圆盘区域上时，压电传感器仍可能在安装过程中受到损坏，也仍然很容易与目标结构发生电短路。安装这种柔性电路压电传感器还需要大量人力并使用入真空袋和气泵等特殊工具。安装完成后，即便在柔性电路的保护下，压电传感器仍然容易受到外部冲击和应变影响。
针对上述压电传感器容易损坏和安装不便的问题，公开号为CN108318586A的中国发明专利《一种结构加强的超声传感器》的技术方案中，在将传感器安装到目标结构上时，可以对封装壳体施压，而不接触双面压电陶瓷元件。且由于双面压电陶瓷元件朝外的一面比内凹部上部边缘稍低，封装壳体承受压力，保护双面压电陶瓷元件。
但是如果将压电传感器直接安装到水系统管道上，用于接收次声波信号，上述技术方案中的压电传感器则不适合，存在安装困难、易损坏、易短路以及信号信噪比低等问题。
具体的上述技术方案中，存在如下技术问题：1、导线是通过从封装壳体中开设的内凹部的侧壁上设置的开口，从而延伸到封装壳体之外；该种设计方式，导线与封装壳体本身呈垂直状，导线极容易因拉扯导致接触不良，甚至被折断；2、封装壳体内开设的内凹部为敞口状，这样即使双面压电陶瓷元件朝外的一面比内凹部上部边缘稍低，虽然双面压电陶瓷元件的外围设有封装壳体承受压力，但由于敞口式的设计，依然无法较好的保护双面压电陶瓷元件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型结构加强的次声波传感器，一方面有效保护导线与双面压电陶瓷元件的连接，避免其受拉扯出现接触不良或者是被折断；另一方面对双面压电陶瓷元件进行整体保护，提高其防护性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种新型结构加强的次声波传感器，包括至少一个双面压电陶瓷元件和封装壳体，在双面压电陶瓷元件上连接有导线；所述封装壳体中贯穿设有一具有内侧壁的柱状内凹部，在内凹部中设有双面压电陶瓷元件；所述内凹部的内侧壁上部设有内螺纹；对应所述内螺纹在内凹部中螺纹连接有螺纹套筒；所述螺纹套筒的顶端向上延伸至超出所述封装壳体的顶端面；所述螺纹套筒的内腔上部紧密配合有套管，套管的上部向上延伸至超出螺纹套筒的顶端面，且在套管超出所述螺纹套筒的顶端面部分套接有压缩螺母；所述导线依次向上通过内凹部、螺纹套筒、套管以及压缩螺母的内腔后延伸至封装壳体的外部；位于所述套管内腔部分的导线的外部紧密包裹有护套层；所述套管的内侧壁与护套层的外侧壁为紧密配合；所述双面压电陶瓷元件位于内凹部的下部，且双面压电陶瓷元件的下端面与所述内凹部的底端面之间具有一定的间距；所述双面压电陶瓷元件和导线与所述内凹部之间的间隙通过防水胶水层密封填充。
进一步的，位于所述封装壳体外部的导线上连接有信号调理模块。
进一步的，所述内凹部由上内凹部和下内凹部组成；所述上内凹部和下内凹部均呈柱状，且上内凹部的底面直径小于所述下内凹部的顶面直径。
进一步的，所述封装壳体的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
进一步的，所述双面压电陶瓷元件的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
进一步的，所述双面压电陶瓷元件下端面与所述内凹部的底端面之间的间距为0.6mm-1.5mm。
进一步的，所述双面压电陶瓷元件的底端固定安装在PCB板上；所述双面压电陶瓷元件的上端面上粘贴有泡沫缓冲垫。
进一步的，所述防水胶水层为环氧树脂胶。
本发明中的超声传感器，其不仅限于水系统管道的泄漏监测，也适用于输油、输气管道以及类似结构的泄漏监测。
本发明的有益效果是：
本发明对双面压电陶瓷元件在封装壳体内凹部中的布置方式进行全新设计，不用额外在内凹部的侧壁上进行开孔将导线引出，取而代之的是在内凹部中配合设有通过螺纹连接的螺纹套筒，螺纹套筒中插接有套管，套管外侧套接有压缩螺母；导线依次向上通过内凹部、螺纹套筒、套管以及压缩螺母的内腔后延伸至封装壳体的外部，且位于套管内腔部分的导线的外部紧密包裹有护套层，套管的内侧壁与护套层的外侧壁为紧密配合。
通过采用上述设计，可以有效保护导线与双面压电陶瓷元件的连接，避免其受拉扯出现接触不良或者是被折断；同时，本发明中由于双面压电陶瓷元件位于内凹部的下部，且双面压电陶瓷元件的下端面与内凹部的底端面之间具有一定的间距，双面压电陶瓷元件与封装壳体之间的间隙通过防水胶水层密封填充，从而可以对双面压电陶瓷元件进行整体保护，提高其防护性能，保证其能够正常稳定工作。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为图1中A部放大结构示意图；
图3为本发明安装使用时的结构示意图。
图中，1-双面压电陶瓷元件，2-封装壳体，3-导线，4-内螺纹，5-螺纹套筒，6-套管，7-压缩螺母，8-护套层，9-防水胶水层，10-内凹部，11-信号调理模块，12-PCB板，13-泡沫缓冲垫，100-上内凹部，101-下内凹部，14-目标结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、2所示，一种新型结构加强的次声波传感器，包括至少一个双面压电陶瓷元件1和封装壳体2，在双面压电陶瓷元件1上连接有导线3；所述封装壳体2中贯穿设有一具有内侧壁的柱状内凹部10，在内凹部10中设有双面压电陶瓷元件1；其中，使用双面压电陶瓷元件1作为传感元件，传感元件的谐振频率很低，有足够低的下限频率，可以接收次声波信号，而且双面压电陶瓷元件相对灵敏度精度较高，是管道泄漏监测系统中实验采集泄漏次声信号功能的理想选择。封装壳体2可以用不同的材料制成以满足机械和环境的要求，封装壳体2的材料包括但不限于金属、塑料、陶瓷、复合材料、橡胶或上述材料的组合。
为了保护导线3与双面压电陶瓷元件1的连接，避免其受拉扯出现接触不良或者是被折断；本发明在所述内凹部10的内侧壁上部设有内螺纹4；对应所述内螺纹4在内凹部10中螺纹连接有螺纹套筒5；所述螺纹套筒5的顶端向上延伸至超出所述封装壳体2的顶端面；所述螺纹套筒5的内腔上部紧密配合有套管6，套管6的上部向上延伸至超出螺纹套筒5的顶端面，且在套管6超出所述螺纹套筒5的顶端面部分套接有压缩螺母7；其中，本实施例中的套管6优选为氯丁橡胶材质制成的套管；压缩螺母7可为尼龙压缩螺母或则是金属材料制成的压缩螺母，且可根据实际需要，设置不同高度的压缩螺母7，例如可选为3cm-10cm不等。
所述导线3依次向上通过内凹部10、螺纹套筒5、套管6以及压缩螺母7的内腔后延伸至封装壳体2的外部；位于所述套管6内腔部分的导线3的外部紧密包裹有护套层8；所述套管6的内侧壁与护套层8的外侧壁为紧密配合；所述双面压电陶瓷元件1位于内凹部10的下部，且双面压电陶瓷元件1的下端面与所述内凹部10的底端面之间具有一定的间距；所述双面压电陶瓷元件1和导线3与所述内凹部10之间的间隙通过防水胶水层9密封填充。
具体的，位于所述封装壳体2外部的导线3上连接有信号调理模块11。信号调理模块11主要实现信号转换、隔离、缓冲、滤波的功能。在本实施例中，起到对超声传感器信号进行调理滤波。
具体的，所述内凹部10由上内凹部100和下内凹部101组成；所述上内凹部100和下内凹部101均呈柱状，且上内凹部100的底面直径小于所述下内凹部101的顶面直径。
具体的，本实施例中的所述封装壳体2的形状可根据需要设计为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
具体的，本实施例中的所述双面压电陶瓷元件1的形状可根据需要设计为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
具体的，所述双面压电陶瓷元件1下端面与所述内凹部10的底端面之间的间距为0.6mm-1.5mm。本实施例中优选设计为1mm。
具体的，为了进一步提高对于双面压电陶瓷元件1的保护，所述双面压电陶瓷元件1的底端固定安装在PCB板12上；所述双面压电陶瓷元件1的上端面上粘贴有泡沫缓冲垫13。PCB板12本实施例中选取为黄铜衬板。
具体的，所述防水胶水层9为环氧树脂胶。
本发明的工作过程：
使用时，将本发明中的次声波传感器安装于目标结构14上；目标结构14出现泄漏时产生的泄漏次声信号由双面压电陶瓷元件1上的次声探头接收，并将泄漏声信号转换成电信号，电信号经过信号调理模块11进行信号转换、隔离、放大和滤波，并将转换为数据采集模块能够接收的标准电压信号。最后，数据采集模块实现A/D转换，并将模拟信号转换为数字信号，进而送入监测主机进行数据处理；从而实现对目标结构14管道的泄漏监测。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种结构加强的次声波传感器，包括至少一个双面压电陶瓷元件(1)和封装壳体(2)，在双面压电陶瓷元件(1)上连接有导线(3)；所述封装壳体(2)中贯穿设有一具有内侧壁的柱状内凹部(10)，在内凹部(10)中设有双面压电陶瓷元件(1)；其特征在于：所述内凹部(10)的内侧壁上部设有内螺纹(4)；对应所述内螺纹(4)在内凹部(10)中螺纹连接有螺纹套筒(5)；所述螺纹套筒(5)的顶端向上延伸至超出所述封装壳体(2)的顶端面；所述螺纹套筒(5)的内腔上部紧密配合有套管(6)，套管(6)的上部向上延伸至超出螺纹套筒(5)的顶端面，且在套管(6)超出所述螺纹套筒(5)的顶端面部分套接有压缩螺母(7)；所述导线(3)依次向上通过内凹部(10)、螺纹套筒(5)、套管(6)以及压缩螺母(7)的内腔后延伸至封装壳体(2)的外部；位于所述套管(6)内腔部分的导线(3)的外部紧密包裹有护套层(8)；所述套管(6)的内侧壁与护套层(8)的外侧壁为紧密配合；所述双面压电陶瓷元件(1)位于内凹部(10)的下部，且双面压电陶瓷元件(1)的下端面与所述内凹部(10)的底端面之间具有一定的间距；所述双面压电陶瓷元件(1)和导线(3)与所述内凹部(10)之间的间隙通过防水胶水层(9)密封填充。
2.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：位于所述封装壳体(2)外部的导线(3)上连接有信号调理模块(11)。
3.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：所述内凹部(10)由上内凹部(100)和下内凹部(101)组成；所述上内凹部(100)和下内凹部(101)均呈柱状，且上内凹部(100)的底面直径小于所述下内凹部(101)的顶面直径。
4.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：所述封装壳体(2)的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
5.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：所述双面压电陶瓷元件(1)的形状为圆形、环形、三角形、矩形或多边形。
6.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：所述双面压电陶瓷元件(1)下端面与所述内凹部(10)的底端面之间的间距为0.6mm-1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：所述双面压电陶瓷元件(1)的底端固定安装在PCB板(12)上；所述双面压电陶瓷元件(1)的上端面上粘贴有泡沫缓冲垫(13)。
8.根据权利要求1所述的一种结构加强的次声波传感器，其特征在于：所述防水胶水层(9)为环氧树脂胶。
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