CN114111927B - 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器 - Google Patents

一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN114111927B
CN114111927B CN202111395809.5A CN202111395809A CN114111927B CN 114111927 B CN114111927 B CN 114111927B CN 202111395809 A CN202111395809 A CN 202111395809A CN 114111927 B CN114111927 B CN 114111927B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas flow
ultrasonic sensor
piezoelectric ceramic
frequency ultrasonic
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111395809.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114111927A (zh
Inventor
阴伏星
李佳
张博
蔡东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Huitong West Electronic Co ltd
Original Assignee
Chengdu Huitong West Electronic Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Huitong West Electronic Co ltd filed Critical Chengdu Huitong West Electronic Co ltd
Priority to CN202111395809.5A priority Critical patent/CN114111927B/zh
Publication of CN114111927A publication Critical patent/CN114111927A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114111927B publication Critical patent/CN114111927B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提供了一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，包括导线、金属壳体、外壳、阻尼层、正极电线、负极电线、压电陶瓷片、匹配层；所述的匹配层粘贴于所述外壳内；所述金属壳体置于所述外壳内，一面与所述匹配层粘接，另一面与所述压电陶瓷片粘接；所述导线通过所述正极电线与所述压电陶瓷片焊接连接，通过所述负极电线与所述金属壳体焊接连接；所述的阻尼层填充于外壳内部。解决了以往超声波产品尺寸大，定位不方便，安装复杂，回波信号不稳定等问题。

Description

一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器
技术领域
本发明涉及液位检测技术领域，具体涉及一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器。
背景技术
传统的超声波产品存在尺寸大，定位不方便，安装复杂，回波信号不稳定等问题。传统的超声波产品传感器频率越高，压电陶瓷片尺寸越小，所带来的后果就是传感器有效驱动受压电陶瓷片也减小，所产生的产品回波自然也越小，导致测量不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，以期解决背景技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，包括导线、金属壳体、外壳、阻尼层、正极电线、负极电线、压电陶瓷片、匹配层；所述的匹配层粘贴于所述外壳内；所述金属壳体置于所述外壳内，一面与所述匹配层粘接，另一面与所述压电陶瓷片粘接；所述导线通过所述正极电线与所述压电陶瓷片焊接连接，通过所述负极电线与所述金属壳体焊接连接；所述的阻尼层填充于外壳内部。
在一些实施例中，所述阻尼层的厚度大于2个发射波长，用于抑制压电陶瓷片振动，并吸收多余的振动。
在一些实施例中，所述阻尼层的密度范围是0.8-2.0g/cm3。
在一些实施例中，所述阻尼层材料为聚酯材料，硅胶材料，环氧材料中的一种或几种。
在一些实施例中，所述匹配层的密度范围是0.4-0.8g/cm3。
在一些实施例中，所述压电陶瓷片的中心开槽，槽口为单向或矩阵形。
在一些实施例中，所述金属壳体由钛合金，不锈钢，黄铜，铝中的一种或多种组合制成。
在一些实施例中，所述金属壳体的厚度是超声波频率的1/4个波长的整数倍。
在一些实施例中，所述外壳的侧壁由阻尼层到匹配层呈直径减小的台阶状，其中小端为前端装配面，大端为后端装配面。
在一些实施例中，所述前端装配面和后端装配面为光滑面或螺纹形。
有益效果
通过将压电陶瓷做矩阵化化处理，从而在有限空间内增加了压电陶瓷片的发射面积，改善压电陶瓷的输出结构，然后再将矩阵化的压电陶瓷粘接在金属材料上增加输出耦合效果，就可以增强超声波频率发射，从而增强回波接受信号。解决了以往超声波产品尺寸大，定位不方便，安装复杂，回波信号不稳定等问题。
附图说明
图1为实施例中适用于气体流量检测的高频超声波传感器的示意图。
图2为实施例中适用于气体流量检测的高频超声波传感器的前端装配面和后端装配面结构示意图。
图3为图1中的I部放大图。
图示说明：1-导线，2-阻尼层，3-金属壳体，4-外壳，5-压电陶瓷片，6-匹配层，7-负极电线，8-正极电线，9-槽，10-后端装配面，11-前端装配面。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
如图1-3所示，本发明提出了一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，所述产品主要应用场景是肺呼吸流量检测，但不限于此，也可以应用范围如家用气表检测等厂景。该高频超声波传感器包括导线1包括金属壳体3、外壳4、阻尼层2、正极电线8、负极电线7、压电陶瓷片5、匹配层6；所述的匹配层6粘贴于所述外壳4内；所述金属壳体3置于所述外壳4内，一面与所述匹配层6粘接，另一面与所述压电陶瓷片5粘接；所述导线1通过所述正极电线8与所述压电陶瓷片5焊接连接，通过所述负极电线7与所述金属壳体3焊接连接；所述的阻尼层2填充于外壳4内部。
在一些实施例中，所述阻尼层2的厚度大于2个发射波长，用于抑制压电陶瓷片5振动，并吸收多余的振动。主要用于抑制压电陶瓷片5振动，并吸收多余的振动，使产品输出不同的阻抗曲线,提高发射波形和接收波形的规律性。
在一些实施例中，所述阻尼层2的密度范围是0.8-2.0g/cm3。所述阻尼层2(2)的密度范围是0.8-2.0g/cm3，可以得到不同的阻抗控制曲线，所述阻尼层2材料是有机物材料，其主成份可以是聚酯材料，硅胶材料，也可以是环氧材料，也可以是两种或三种材料的混合层组合。
在一些实施例中，所述匹配层6的密度范围是0.4-0.8g/cm3。因为影响空气声换能器灵敏度与带宽的根本原因是换能器材料(如PZT)与空气声阻抗的严重失配，它们的声阻抗率分别分ZC1～35MRAYL和ZA＝0.0004MRAYL,一般使用1/4波长的第二匹配层6，当声阻抗
Figure BDA0003369895510000031
为1/4波长时，声波透射系数最大，式中，Zc,Zp分别是压电陶瓷片5和传播介质的声阻抗率(声阻抗率是材料的声速和密度的乘积)。为了换得最佳的声阻抗匹配，对于空气来说，选取Zc＝33MRAYL(压电陶瓷声阻抗率),空气Zp＝0.0044MRAYL,则声阻抗率在
Figure BDA0003369895510000041
左右，通过计算得出不同材料最佳材料密度在0.4-0.8克/立方厘米之间。
如图3所示，关于压电陶瓷片5尺寸，可以是圆形，也可以是方形，压电陶瓷片5中心可以开槽9，也可以不开槽9；如果在压电陶瓷片5中心开槽9，可以预留0.5-1.0mm不切断，可以保证压电陶瓷片5的强度，同时，也保证压电陶瓷片5的电性能参数不受影响。槽9口可以单向，也可以是矩阵形。
所述的压电陶瓷片5是通过开槽9面粘接在金属材料上，金属材料可以是钛合金，不锈钢，黄铜，铝等一种或多种组合。所用的金属壳体3的厚度是超声波频率的1/4个波长的整数倍。
在一些实施例中，所述外壳4的侧壁由阻尼层2到匹配层6呈直径减小的台阶状，其中小端为前端装配面11，大端为后端装配面10。可以保证良好的装配精度，此处为密封面，利用密封圈实现准确密封，而且此处密封不影响探头参数。并保证发射两个端面的精准距离。所述前端装配面11和后端装配面10为光滑面或螺纹形。
在一些实施例中，所述匹配层6上表面可以粘接一层高分子材料，也可以是金属材料，材料厚度在1/4个超声波波长。可以提高产品表面的抗腐效果。
在一些实施例中，压电陶瓷片56的直径在6-8mm之间，厚度在0.5-3mm之间。在一些实施例中，外壳42由高分子材料或金属材料制成。
相比传统的膜式气体流量测试，无须维护，没有固定部件，适应于各种气体流量检测，而且检测精度高，适应范围广。解决了以往超声波产品尺寸大，定位不方便，安装复杂，回波信号不稳定等问题。
超声波传感器通过在流量计的测量管道内，按一定的规律，组装一组或者多组超声波传感器，通过超声换能器交替发射和接收超声波，采用超声波检测技术，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差，以及测量管段的流体压力和温度，包括气体摩尔组分，就可以计算出气体流速及标准状态下气体的流量。因此该方案常用于人工智能领域的异物探测报警，距离检测开关，以及智能领域的流量检测。在通常情况下，频率越高，相应的测量的精度也越高，但因为频率越高，信号衰减也越大，尤其是频率在400KHZ以上产品回波明显下降。而利用传统的制作方法很难将超声频率做到400KHz以上。
先通过将压电陶瓷做矩阵化处理，从而在有限空间内增加了压电陶瓷片5的发射面积，改善压电陶瓷的输出结构，然后再将矩阵化的压电陶瓷片5粘接在金属材料上增加输出耦合效果，就可以增强超声波频率发射，从而增强回波接受信号。传统的做法是传感器频率越高，压电陶瓷片5尺寸越小，所带来的后果就是传感器有效驱动受压电陶瓷片5也减小，所产生的产品回波自然也越小，而通过压电陶瓷矩阵结构进行改进优化，就可以实现压电陶瓷片5尺寸不受驱动频率影响，轻松实现产品回波信号增强，而且结构简单，便于按装使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，包括导线、金属壳体、外壳、阻尼层、正极电线、负极电线、压电陶瓷片、匹配层；所述的匹配层粘贴于所述外壳内；所述金属壳体置于所述外壳内，一面与所述匹配层粘接，另一面与所述压电陶瓷片粘接；将压电陶瓷做矩阵化处理，所述导线通过所述正极电线与所述压电陶瓷片焊接连接，通过所述负极电线与所述金属壳体焊接连接；所述的阻尼层填充于外壳内部。
2.根据权利要求1所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述阻尼层的厚度大于2个发射波长，用于抑制压电陶瓷片振动，并吸收多余的振动。
3.根据权利要求2所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述阻尼层的密度范围是0.8-2.0g/cm3。
4.根据权利要求3所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述阻尼层材料为聚酯材料，硅胶材料，环氧材料中的一种或几种。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述匹配层的密度范围是0.4-0.8g/cm3。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷片的中心开槽，槽口为单向或矩阵形。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述金属壳体由钛合金，不锈钢，黄铜，铝中的一种或多种组合制成。
8.根据权利要求7所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述金属壳体的厚度是超声波频率的1/4个波长的整数倍。
9.根据权利要求1-4任一所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述外壳的侧壁由阻尼层到匹配层呈直径减小的台阶状，其中小端为前端装配面，大端为后端装配面。
10.根据权利要求9所述的一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器，其特征在于，所述前端装配面和后端装配面为光滑面或螺纹形。
CN202111395809.5A 2021-11-23 2021-11-23 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器 Active CN114111927B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111395809.5A CN114111927B (zh) 2021-11-23 2021-11-23 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111395809.5A CN114111927B (zh) 2021-11-23 2021-11-23 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114111927A CN114111927A (zh) 2022-03-01
CN114111927B true CN114111927B (zh) 2022-11-01

Family

ID=80440402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111395809.5A Active CN114111927B (zh) 2021-11-23 2021-11-23 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114111927B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115407317B (zh) * 2022-08-02 2023-09-29 成都汇通西电电子有限公司 一种水下探测高频超声波传感器、系统和机器人
CN116295558B (zh) * 2022-12-26 2024-03-15 中科三清科技有限公司 超声波传感器的制作方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008055126A1 (de) * 2008-12-23 2010-07-01 Robert Bosch Gmbh Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium
CN201516405U (zh) * 2009-03-31 2010-06-30 广州多浦乐电子科技有限公司 压电单晶复合材料高频超声换能器
DE102009046144A1 (de) * 2009-10-29 2011-05-19 Robert Bosch Gmbh Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium
DE102009046147A1 (de) * 2009-10-29 2011-05-05 Robert Bosch Gmbh Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium
DE102010029283A1 (de) * 2010-05-25 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium
CN102288782A (zh) * 2011-07-19 2011-12-21 江苏物联网研究发展中心 高精度超声波传感器
CN202582572U (zh) * 2012-05-18 2012-12-05 常州波速传感器有限公司 高频率超声波传感器
CN103197309A (zh) * 2013-03-29 2013-07-10 常州波速传感器有限公司 多方向性高频超声传感器
CN204027616U (zh) * 2014-07-31 2014-12-17 山东省德鲁计量科技有限公司 一种超声波热量表换能器
CN110208779A (zh) * 2019-03-26 2019-09-06 成都英萨传感技术研究有限公司 一种超声波传感器壳体、传感器及倒车雷达系统
CN213688505U (zh) * 2020-04-15 2021-07-13 泉州七洋机电有限公司 一种超声波流量计的换能器
CN113050100A (zh) * 2021-03-12 2021-06-29 汉得利（常州）电子股份有限公司 一种汽车低速行驶防撞超声波传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN114111927A (zh) 2022-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114111927B (zh) 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器
JP2918102B2 (ja) 超音波変換器
US7373840B2 (en) Ultrasonic flowmeter having a transmitting body fixed on the outer peripheral surface of the pipe
RU2760517C1 (ru) Ультразвуковой расходомер с комбинацией линз
EP1434039A1 (en) Liquid level measuring device
US20130264142A1 (en) Coupling element of an ultrasonic transducer for an ultrasonic, flow measuring device
CN114111928B (zh) 一种适用于气体流量检测的高频超声波传感器
US20140165740A1 (en) Ultrasound transducer and method of generating and/or receiving ultrasound
JP2002318144A (ja) クランプオン型超音波流量計
CN102985816A (zh) 超声颗粒测量系统
US3204458A (en) Ultrasonic flowmeter
US7963174B2 (en) Ultrasonic flowmeter having a rubber transmitting body
CN111141344A (zh) 一种超声水表换能器及其超声水表
JP2015215171A (ja) 超音波流量計及び超音波吸収体の異常判定方法
KR101117203B1 (ko) 연속파용 도플러 초음파 변환기 및 그 제작 방법
WO2014125720A1 (ja) 超音波流量計および超音波流量計用の超音波吸収体
RU2445748C1 (ru) Пьезоэлектрический преобразователь
US3204457A (en) Ultrasonic flowmeter
CN212254208U (zh) 一种超声水表换能器及其超声水表
JP2015230260A (ja) 超音波流量計及び超音波流量計の取付方法
JP5533332B2 (ja) 超音波流速流量計
JP2011007763A (ja) 超音波流量計
JP2005180988A (ja) 超音波流量計
JP2015081868A (ja) 超音波プローブ
CN215932137U (zh) 一种超声波传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant