CN114111928B - 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

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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、外壳、阻尼层、PCB板正负极电线、压电陶瓷片、匹配层；所述压电陶瓷片设置于外壳内，所述压电陶瓷片与所述匹配层的其中一端面相连；所述匹配层粘贴于所述外壳内；所述的PCB板粘贴于所述的压电陶瓷片上；所述的正负极电线两端焊接于所述的PCB板和所述的陶瓷片正负极；所述的导线焊接于所述PCB板上，与所述压电陶瓷片正负极连通，通过导线与外部连通；所述的阻尼层填充于外壳内部。

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。
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、外壳、阻尼层、PCB板正负极电线、压电陶瓷片、匹配层；所述压电陶瓷片设置于外壳内，所述压电陶瓷片与所述匹配层的其中一端面相连；所述匹配层粘贴于所述外壳内；所述的PCB板粘贴于所述的压电陶瓷片上；所述的正负极电线两端焊接于所述的PCB板和所述的陶瓷片正负极；所述的导线焊接于所述PCB板上，与所述压电陶瓷片正负极连通，通过导线与外部连通；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，所述匹配层的密度范围是0.4-0.8g/cm3。
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，压电陶瓷片的直径在6-8mm之间，厚度在0.5-3mm之间。
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。
在一些实施例中，外壳由高分子材料或金属材料制成。
有益效果
本产品设计简单，外观小巧，通过在材料和结构上进行了改进，匹配层用于增强回波信号，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结构示意图。
图示说明：1-导线，2-外壳，3-阻尼层，4-PCB板，5-正负极电线，6-压电陶瓷片，7-匹配层，8-前端装配面，9-后端装配面。
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1-2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。其包括导线1、外壳2、阻尼层3、PCB板4正负极电线5、压电陶瓷片6、匹配层7；所述压电陶瓷片6设置于外壳2内，所述压电陶瓷片6与所述匹配层7的其中一端面相连；所述匹配层7粘贴于所述外壳2内；所述的PCB板4粘贴于所述的压电陶瓷片6上；所述的正负极电线5两端焊接于所述的PCB板4和所述的陶瓷片正负极；所述的导线1焊接于所述PCB板4上，与所述压电陶瓷片6正负极连通，通过导线1与外部连通；所述的阻尼层3填充于外壳2内部。所述阻尼层3的厚度大于2个发射波长，用于抑制压电陶瓷片6振动，并吸收多余的振动。主要用于抑制压电陶瓷片6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。
通过导线1给压电陶瓷片6通电产生超声脉冲信号，发出和接收时均通过匹配层7放大耦合，在液体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。
所述前端装配面和后端装配面9为光滑面或螺纹形。所述传感器具有装配面，所述外壳2的侧壁由阻尼层3到匹配层7呈直径减小的台阶状，其中小端为前端装配面8，大端为后端装配面9。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。
在一些实施例中，所述匹配层7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7，当声阻抗
Figure BDA0003369897140000031
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6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 BDA0003369897140000032
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。
所述匹配层7的厚度是超声波频率波长的1/4整数倍，增加了超声波发射信号和接收回波的效率。所述前端装配面8的高度要>超声波频率的两个波长以上，这样可以降低装配面侧面对传感器的发射信号和接收信号影响，提高信号稳定性。
在一些实施例中，所述阻尼层3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3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，压电陶瓷片6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2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。
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，相应的所需要的检测精度也越高。利用本方法设计的超声波传感器由于使用了特殊的声阻抗材料密度以及厚度结构设计，增强了产品的传输效率以及性能稳定，结构简单，在使用时安装方便。
针对压电陶瓷超声波频率较高时，回波信号较弱，难于从叠加的余振和回波信号中提取出有益的回波信号问题。因此各生产厂家都在考虑如何提高超声波频率时，同时也增强回波信号，有利于回波信号的准确获取。本申请通过设计声阻抗材料的密度及厚度同频率的关系，在结构上对声阻抗材料密度同匹配层7密度进行了优化设计，用于增强回波信号，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。
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 (4)

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、外壳、阻尼层、PCB板正负极电线、压电陶瓷片、匹配层；所述压电陶瓷片设置于外壳内，所述压电陶瓷片与所述匹配层的其中一端面相连；所述匹配层粘贴于所述外壳内；所述的PCB板粘贴于所述的压电陶瓷片上；所述的正负极电线两端焊接于所述的PCB板和所述的陶瓷片正负极；所述的导线焊接于所述PCB板上，与所述压电陶瓷片正负极连通，通过导线与外部连通；所述的阻尼层填充于外壳内部；
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；
所述匹配层的密度范围是0.4-0.8g/cm3；
所述阻尼层的密度范围是0.8-2.0g/cm3；
压电陶瓷片的直径在6-8mm之间，厚度在0.5-3mm之间。
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。
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，所述前端装配面和后端装配面为光滑面或螺纹形。
4.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，外壳由高分子材料或金属材料制成。
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