CN114101019B - 一种应用于水表的超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波换能器技术领域，公开了一种应用于水表的超声波换能器，包括超声波换能器外壳、调节螺丝、密封胶圈、加压块、传感器单元、屏蔽电缆线；调节螺丝位于换能器外壳上端，调节螺丝与换能器外壳通过密封胶圈连接，换能器外壳内部由上到下依次为加压块、背衬层、压电陶瓷、连接层，屏蔽电缆线穿过调节螺丝、加压块，焊接于压电陶瓷的正负电极。本发明通过在传感器中增加连接层与使用加压块替代传统胶水粘接压电陶瓷，解决了胶水固化等待的问题，提升了装配效率，避免了长时间工作引起的胶水退化导致换能器性能退化的问题，保证了计量精度的同时延长了换能器寿命，通过调节螺丝来调节换能器谐振频率，实现同批次任意换能器间的配对。
Description
技术领域
本发明涉及超声波换能器技术领域，尤其涉及一种应用于水表的超声波换能器。
背景技术
国家实行的阶梯水价政策使得传统机械式水表已不能满足人们对水流量计量的需求，在推进“一户一表”的改造时，就要求有精度更高、功能更全的新计量形式水表进入人们的生活中。比传统机械式水表功能更全、性能更佳的超声波水表就此诞生，而超声波换能器则是超声波水表中的核心组成部分。
目前常见的超声波换能器中，压电陶瓷与超声波换能器外壳的连接方式都是用胶水粘接，需要等待胶水完全固化后再逐一安装超声波换能器的其他结构部件，导致装配时间长，效率低，同时，在高低温变化环境中，超声波换能器性能极易发生退化主要原因是胶水的粘接性能下降，导致超声波换能器的精度变低，大大缩短了超声波换能器的使用寿命。常用的超声波换能器由压电陶瓷、匹配层、背衬层、信号线等组成，各部分结构固定，参数也固定，使用时需要根据性能参数，挑选一致性高的超声波换能器配对后使用。如果超声波换能器参数能够小范围调节，就能降低超声波换能器配对难度。目前可以调节参数的超声波换能器常采用改变电负载的方式调节超声波换能器参数，较为复杂，成本高，也未应用于超声波水表。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种应用于水表的超声波换能器，通过在传感器单元中增加连接层与使用加压块替代传统胶水粘接压电陶瓷的方法，解决了胶水固化等待的问题，避免了长时间工作引起的胶水性能退化导致超声波换能器性能衰减的问题。同时，通过调节螺丝调节背衬层和压电陶瓷之间的压力，从而调节超声波换能器的谐振频率，降低了超声波换能器配对难度，实现同批次任意超声波换能器间的配对。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种应用于水表的超声波换能器，包括超声波换能器外壳、调节螺丝、密封胶圈、加压块、传感器单元、屏蔽电缆线；
传感器单元包含背衬层、压电陶瓷、连接层；
其连接关系为：调节螺丝位于超声波换能器外壳的上端，调节螺丝与超声波换能器外壳之间通过密封胶圈连接，在超声波换能器外壳内部由上到下依次为加压块、背衬层、压电陶瓷、连接层，调节螺丝底端与加压块顶端接触，加压块底端与背衬层顶端接触，背衬层底端与压电陶瓷顶端接触，压电陶瓷底端与连接层顶端接触，通过旋紧加压块上方的调节螺丝向下施加压应力来实现加压块与背衬层、背衬层与压电陶瓷、压电陶瓷与连接层间的压紧连接，屏蔽电缆线穿过调节螺丝、加压块，焊接于压电陶瓷的正负电极。
进一步地，所述调节螺丝通过螺纹旋紧的方式将传感器单元固定在超声波换能器外壳中。
进一步地，所述传感器单元的防护等级为IP68。
进一步地，所述传感器单元的连接层采用的材料为基材的透声材料为天然胶或聚氨酯橡胶或硅橡胶或氯丁胶或丁基胶或氯化丁基胶。
进一步地，所述传感器单元被加压块压紧，存在弹性形变量空间。
进一步地，通过设置调节螺丝的压力，实现对超声波换能器谐振频率的调节。
本发明的有益技术效果：通过在传感器单元中增加连接层与使用加压块替代传统胶水粘接压电陶瓷的方法，解决了胶水固化等待的问题，提升了装配效率，避免了长时间工作引起的胶水性能退化导致超声波换能器性能退化的问题，从而在保证了高计量精度的基础上使超声波换能器有了更长的使用寿命。通过调节螺丝调节背衬层和压电陶瓷之间的压力，从而调节超声波换能器的谐振频率，降低了超声波换能器配对难度，实现同批次任意超声波换能器间的配对。
附图说明
图1为本发明的主视剖视图。
图2为本发明所述调节螺丝的主视图。
图3为本发明所述调节螺丝的俯视图。
图4为本发明所述加压块主视图。
图5为本发明所述加压块俯视图。
图6为本发明所述传感器单元与屏蔽电缆线的主视图。
图7为本发明所述超声波换能器外壳的主视图。
附图标号：1为屏蔽电缆线，2为调节螺丝，201为调节螺丝的旋转操作手柄，3为密封胶圈，4为超声波换能器外壳，401为匹配层，402为超声波换能器外壳的螺纹结构，5为加压块，501为加压块的限位台阶，6为传感器单元，601为背衬层，602为压电陶瓷，603为连接层，7为调节螺丝中的线缆通道，8为加压块的倒“Y”线缆通道，9为加压块顶部圆形导线孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：
如图1所示，一种应用于水表的超声波换能器，包括超声波换能器外壳4（如图7所示）、调节螺丝2（如图2、图3所示）、密封胶圈3、加压块5（如图4、图5所示）、传感器单元6（如图6所示）、屏蔽电缆线1；
传感器单元6包含背衬层601、压电陶瓷602、连接层603；
其连接关系为：调节螺丝2位于超声波换能器外壳4的上端，调节螺丝2与超声波换能器外壳4之间通过密封胶圈3连接，在超声波换能器外壳4内部由上到下依次为加压块5、背衬层601、压电陶瓷602、连接层603，各个部分通过调节螺丝2施加压应力实现压紧连接，屏蔽电缆线1穿过调节螺丝2、加压块5，焊接于压电陶瓷602的正负电极（如图6所示）。
所述调节螺丝2通过螺纹结构402以螺纹旋紧的方式将传感器单元6固定在超声波换能器外壳4中。
所述传感器单元6的防护等级为IP68。
所述传感器单元6的连接层603采用的材料为天然胶或聚氨酯橡胶或硅橡胶或氯丁胶或丁基胶或氯化丁基胶。
所述传感器单元6被加压块5压紧，存在弹性形变量空间。
本实施例所用超声波换能器外壳4下段内壁为圆柱形，用来装配传感器单元6；其上段内壁为带螺纹结构402，用来装配调节螺丝2，调节螺丝2与背衬层601通过加压块5连接。
本实施例所用超声波换能器外壳4采用水解稳定性强的无定形热塑性塑料，可选用PPS（聚苯基硫醚）、PPA（聚邻苯二甲酰胺）、PPO（聚苯醚）、PEEK（聚醚醚酮）、PSU(聚砜)等材料以及在上述材料基础上掺杂30%~40%的玻璃纤维形成的复合材料。本实施例所用密封胶圈3可实现IP68级防尘防水，受到超声波换能器工作环境的影响，可能会出现水汽、盐雾气体侵入，这会导致传感器单元6出现短路或腐蚀的情况，使用密封胶圈3可有效地克服这一缺点。
本实施例所用加压块5为刚性结构件，位于调节螺丝2和传感器单元6的中间，通过旋紧调节螺丝2，加压块5压紧传感器单元6，保证存在加载压力的情况下，传感器单元6不发生横向相对位移，从而保证超声波换能器长时间工作的可靠性，屏蔽电缆线1从加压块顶部圆形导线孔9进入加压块的倒“Y”线缆通道8，加压块5两侧有限位台阶501（如图5所示），因此加压块5安装进超声波换能器外壳4后，不会随调节螺丝2的旋转而旋转。
本实施例所用匹配层401即超声波换能器底端的超声波换能器外壳4的一部分，此部分在起到保护超声波换能器作用的同时，还能实现所述传感器单元6与水进行超声波信号的传递。所述匹配层401厚度d遵循1/4波长定律，即d=λ（1/4+N），其中λ为超声波在所述超声波换能器外壳4材料中的波长，N为奇数。
本实施例所用连接层603为透声可形变材料，是以橡胶为基材的透声材料或在前者基础上加入金属、玻璃纤维形成的复合透声材料，透声材料的基材为天然胶或聚氨酯橡胶或硅橡胶或氯丁胶或丁基胶或氯化丁基胶，透声材料可以使所述压电陶瓷602发射的超声波穿过连接层603时的声波损失尽可能小，连接层603的厚度同样满足1/4波长定律，连接层603作为压电陶瓷602与匹配层401间的过渡，连接层603在压力下会发生弹性形变，因此可以保证在存在压力的前提下，所述压电陶瓷602与所述连接层603、所述连接层603与所述匹配层401充分弹性接触。
本实施例所用压电陶瓷602为传感器单元6中发射和接收超声波信号的器件，通常为PZT(锆钛酸铅)材料，压电陶瓷602可根据不同的需要选择不同的型号，所述压电陶瓷602的正负电极均设置在压电陶瓷602的一侧，与屏蔽电缆线1通过焊接方式连接（如图6所示）。
本实施例所用背衬层601用于吸收压电陶瓷602向后发射的超声波，具有拓宽超声波换能器带宽的作用，所述背衬层601为可形变材料，由环氧树脂作为粘结剂的金属或金属氧化物粉末组成，在加压块5下始终存在压紧量，可最大限度保证传感器单元6的使用寿命。
对于发射和接收两用型的超声波换能器，如果超声波换能器间的的谐振频率不同，就会导致超声波换能器发射出的超声波信号与接收到的超声波信号波形不一致，从而降低计量精度，所以需要超声波换能器的谐振频率一致，即超声波换能器间的配对，本实施例中，通过设置调节螺丝2来调节背衬层601和压电陶瓷602之间的压力，从而调节超声波换能器的谐振频率，保证超声波换能器间的谐振频率一致，实现同批次任意超声波换能器间的配对。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于水表的超声波换能器，其特征在于，包括超声波换能器外壳、调节螺丝、密封胶圈、加压块、传感器单元、屏蔽电缆线；
传感器单元包含背衬层、压电陶瓷、连接层；
其连接关系为：调节螺丝位于超声波换能器外壳的上端，调节螺丝与超声波换能器外壳之间通过密封胶圈连接，在超声波换能器外壳内部由上到下依次为加压块、背衬层、压电陶瓷、连接层，调节螺丝底端与加压块顶端接触，加压块底端与背衬层顶端接触，背衬层底端与压电陶瓷顶端接触，压电陶瓷底端与连接层顶端接触，通过旋紧加压块上方的调节螺丝向下施加压应力来实现加压块与背衬层、背衬层与压电陶瓷、压电陶瓷与连接层间的压紧连接，屏蔽电缆线穿过调节螺丝、加压块，焊接于压电陶瓷的正负电极；
所述传感器单元被加压块压紧，存在弹性形变量空间；
所述连接层为透声可形变材料，在压力下会发生弹性形变；
通过设置调节螺丝的压力，实现对超声波换能器谐振频率的调节。
2.根据权利要求1所述的一种应用于水表的超声波换能器，其特征在于，所述调节螺丝通过螺纹旋紧的方式将传感器单元固定在超声波换能器外壳中。
3.根据权利要求1所述的一种应用于水表的超声波换能器，其特征在于，所述传感器单元的防护等级为IP68。
4.根据权利要求1所述的一种应用于水表的超声波换能器，其特征在于，所述传感器单元的连接层采用的材料为天然胶或聚氨酯橡胶或硅橡胶或氯丁胶或丁基胶或氯化丁基胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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