CN118623813A - 一种测厚传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及传感器领域，具体公开了一种测厚传感器，包括一体成型的底座、发射压电片模块和接收压电片模块，一体成型的所述底座上有两个超声导波结构，两个所述导波结构之间加工有隔离间隙，所述隔离间隙使得超声从发射压电片通过所述一体成型的底座传播到达接收压电片的时间大于测厚的回声时间。通过将两个导波结构（发射导波结构和接收导波结构）在同一底座上，传感器装配简单，安装也简单，整个传感器结构件大量减少，节约成本，且设置隔离间隙，消除了发射和接收之间的串扰，测量稳定。

Description

一种测厚传感器

技术领域

本申请涉及传感器领域，尤其是涉及一种测厚传感器。

背景技术

在石油、化工、电力生产中，金属腐蚀危害严重，金属设备的腐蚀会对生产造成极大的安全隐患。各工业国家每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的1%-4%，基于此，对炼油设备、管道、容器等进行腐蚀厚度监测，刻不容缓。

目前的技术中，采用压电超声测量管道厚度，由厚度损失量进行腐蚀情况的评估属于常见的技术，该技术具有无损检测及测量精度高的优势。该技术需要耦合超声到管道或容器外表面，因此通常需要使用耦合剂，比如使用环氧树脂粘接探头到管道或容器上实现长期稳定的检测，这种耦合剂不适用于长时间在高温下测量，长时间在高温、低温、潮湿、结露结冰等环境下，耦合性能会失效或传感器完全脱落。或者使用通用耦合剂比如甘油等，这种耦合剂具有流动性，耦合剂厚度不稳定导致测量精度下降，不适合长时间检测，只能短时间的测量，而且多次之间存在耦合剂厚度不一致问题，导致测量不一致。

另一种硬耦合形式的传感器，使用一对导波杆或导波片形式组合而成，两个导波杆或导波片分别用于发射和接收超声，这种能长时间用于高温测量，但是这种组装而成的传感器，组装复杂，成本高，因为装配或加工的误差，很难控制两个导波杆或导波片在同一个平面，导致安装也困难，可能存在一个导波杆或导波片紧贴管道或容器表面，而另一个导波杆或导波片没有压紧到管道或容器表面，导致超声耦合失败。

发明内容

为了改善测量效果的问题，本申请提供一种测厚传感器。

本申请提供的一种测厚传感器采用如下的技术方案：

一种测厚传感器，包括一体成型的底座、发射压电片模块和接收压电片模块，一体成型的所述底座上有两个超声导波结构，两个所述导波结构之间加工有隔离间隙，所述隔离间隙使得超声从发射压电片通过一体成型的所述底座传播到达接收压电片的时间大于测厚的回声时间。

通过采用上述技术方案，通过将两个导波结构（发射导波结构和接收导波结构）在同一底座上一体成型，能够确保发射和接收导波结构和管道或容器的接触面在同一个平面上，传感器安装简单，超声耦合成功率大大提高。传感器装配也简单，整个传感器结构件大量减少，节约成本。两个导波结构（发射导波结构和接收导波结构）在同一底座上一体成型，从发射到接收之间通过所述一体成型的底座结构传播到达接收压电片的串扰很大，造成测量困难。因此在两个导波结构（发射导波结构和接收导波结构）之间加工有隔离间隙，使得超声从发射压电片通过所述一体成型的底座结构传播到达接收压电片的到达接收压电片的时间，要大于测厚的回声时间，测厚的回声时间指的是：发射压电片发射的超声通过发射压电片安装位置的导波结构传播到管道或容器表面，并进入管道或容器壁，在管道或容器内表面反射回来到管道或容器表面，并耦合到接收压电片安装位置的导波结构，被接收压电片接收这个超声传播过程的时间，这样能够保证接收到超声的回声之后，从发射到接收之间通过所述一体成型的底座结构传播到达接收压电片的串扰才会到达，保证了测量的稳定性。

可选的，所述导波结构顶部对应有凹槽结构，所述凹槽结构内安装发射压电片模块和接收压电片模块，所述导波结构底部由斜切面和与管道或容器接触的平面组成，所述斜切面包括斜切的平面或弧面；超声从发射压电片激励并传播到该导波结构的底部的平面，从平面耦合到管道或容器壁内部；从管道或容器壁内表面的超声反射回声，传播到接收压电片所在的导波结构平面耦合并传播到接收压电片。

导波结构的斜切面用于调节平面的宽度，平面的宽度和两个平面之间的隔离间隙大小用于调节测量厚度的量程，同时该斜切面能够减少与管道或容器接触的面积，增加接触面压强，提高超声耦合度。

通过采用上述技术方案，凹槽结构的设置便于压电片模块的安装。

可选的，所述底座上的两个导波结构与管道或容器接触的接触面处于同一平面上，所述底座上的两个导波结构和管道或容器之间通过压紧方式以实现硬耦合超声。

可选的，一体成型的所述底座上有两个通孔，所述通孔设置在两个导波结构隔离间隙相背的一侧，所述通孔减少所述发射和接收之间耦合，延长发射到接收之间的耦合路径，减少发射到接收之间耦合强度。

可选的，所述底座上有两个安装耳朵，用于和螺杆配合将底座安装至管道或容器上。

可选的，所述传感器还包括电源、主电路板，所述电源与接收压电片模块、发射压电片模块、主电路板均电连接。

可选的，底座上连接有安装外壳，所述安装外壳与底座密封连接形成一密闭的安装腔，所述电源、主电路板、接收压电片模块和发射压电片模块均位于安装腔内。

通过采用上述技术方案，密封的安装腔可以保证在使用时不受外界环境影响，保护内部电子元件。

可选的，所述安装外壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体与下壳体之间设置有密封圈，所述上壳体与下壳体通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，通过将安装外壳分成上壳体和下壳体，方便内部电子元件的安装。

可选的，所述安装外壳与底座之间设置有密封组件，所述密封组件封闭所述通孔。

可选的，所述接收压电片模块和发射压电片模块均包括压电片、副电路板和温度传感器，所述压电片和温度传感器均焊接在副电路板上，所述副电路板和主电路板电连接，所述压电片与导波结构使用粘胶粘接贴合。导波结构通过胶粘贴合，所述胶粘包括树脂胶，快干胶等能够耦合超声的胶水。

通过采用上述技术方案，副电路板起到过渡作用，用于将压电片、温度传感器与主电路板连接，将压电片、副电路板和温度传感器组装成压电片模块能够快速组装，温度传感器用于监测导波结构的温度，温度参数用于超声波速的补偿计算。

可选的，所述凹槽结构上形成凸环，所述安装外壳内形成与凸环对应的环形槽，所述凸环与环形槽之间具有硅胶圈。

通过采用上述技术方案，如此可以更好的密封安装外壳与底座之间的凹槽结构。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过将两个导波结构（发射导波结构和接收导波结构）一体成型在同一底座上，能够确保发射和接收导波结构和管道或容器的接触面在同一个平面上，保证了产品的品质和安装到管道或容器上的成功率，提高了安装效率，测量稳定精准；

2.通过两个导波结构之间的隔离间隙延长了发射和接收之间的串扰的传播时间，使得测厚的回声不受到串扰的干扰，保证了测量稳定，提高了抗干扰性能；

3.减少了产品部件，提高组装效率，局部零件方便替换，大大降低了成本。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图；

图2是图1的爆炸图；

图3是底座结构图；

图4是图1的半剖立体图；

图5是底座的俯视图；

图6是导波结构的结构图；

图7是传感器的一种管道安装方式；

图8是传感器的另一种管道安装方式。

附图标记：1、底座；11、凹槽；12、导波结构；121、平面；122斜切面；13、隔离间隙；14、一字型通孔；15、凹槽结构；16、凸环；17、安装耳朵；2、安装外壳；21、上壳体；22、下壳体；221、环形槽；231、长螺栓；232、短螺栓；3、电源；4、主电路板；51、发射压电片模块；52、接收压电片模块；6、硅胶圈；7、密封垫；8、密封圈；9、螺杆；91、卡箍；10、管道。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种测厚传感器，包括底座1、安装外壳2、电源3、主电路板4、发射压电片模块51和接收压电片模块52，电源3与发射压电片模块51、接收压电片模块52、主电路板4均电连接。其中安装外壳2与底座1密封连接形成一密闭的安装腔，从而将电源3、主电路板4、发射压电片模块51和接收压电片模块52密封在安装腔内，保证其不会受潮。

其中安装外壳2包括上壳体21和下壳体22，上壳体21与下壳体22之间设置有密封圈8，上壳体21与下壳体22通过螺栓连接，且螺栓采用的是长螺栓231。

底座上由金属材料等传导超声的材料加工形成，金属材料包括但不限于不锈钢、铝合金、碳钢、铜、合金钢。底座1上表面中心形成一凹槽11，下壳体22的底部位于凹槽11内且下壳体22插入凹槽11的部分与凹槽11形状大小相配。底座1与下壳体22通过短螺栓232连接。

底座1下表面一体成型有两个导波结构12，两个导波结构12用于与管道10接触的接触面处于同一平面上，接触面为平面121，每个导波结构12底部还设置有斜切面122，斜切面122与平面121相邻设置。斜切面包括斜切的平面或弧面，两个导波结构12之间形成隔离间隙9，隔离间隙9以使得超声从发射压电片到达接收压电片的时间大于测厚的回声时间。斜切面122用于调节平面121的宽度，平面121的宽度和两个平面121之间的隔离间隙9大小用于调节测量管道10厚度的量程，具体的如图6所示，超声耦合的主要能量强度在平面121的中心，因此发射和接收的夹角决定了测量量程。

具体的，隔离间隙9使得超声从发射压电片通过一体成型的底座结构传播到达接收压电片的路径延长且复杂化，使得传播时间大于管道10内表面的回声时间。隔离间隙9位于两个导波结构12相近的一端，隔离间隙9为开设在底座1上的工字型通孔。两个导波结构12相互远离的一端开设通孔，通孔为一字型通孔14。通孔的设置进一步延长发射到接收之间的耦合路径，减少发射到接收之间耦合强度。

安装外壳2与底座1之间设置有密封组件，密封组件封闭通孔和隔离间隙。

底座1两侧均固定有安装耳朵17，每个安装耳朵17上均有安装孔，传感器安装时，一种方式如图7所示，可以将螺杆9焊接在管道10上，螺杆9穿过安装孔连接螺母，从而将底座1固定在管道10上，且此时两个导波结构12和管道10之间通过压紧方式以实现硬耦合超声。

另一种方式如图8，先将两个类半圆的卡箍91通过螺栓和螺母安装在管道10上，两个螺杆9一体成型在其中一个半圆卡箍91上，之后螺杆9穿过安装孔连接螺母从而将底座1固定在管道10上。

凹槽11的槽底开设有两个凹槽结构15，发射压电片模块51和接收压电片模块52分别位于两个凹槽结构15内，发射压电片模块51和接收压电片模块52分别对应一个导波结构12。凹槽结构15上形成凸环16，下壳体22底部内形成与凸环16对应的环形槽221，凸环16与环形槽221之间具有硅胶圈6。密封组件包括一密封垫7，密封垫7中心开设缺口，缺口用于容纳两个凸环16以及两个凸环16之间的空间，短螺栓232穿过下壳体22、密封垫7与底座1螺纹连接。其中下壳体22底部还具有两个圆孔，圆孔位于环形槽221内，圆孔与凹槽结构15相对，用于导线连接压电片模块5和主电路板4和电源3。

发射压电片模块51和接收压电片模块52分别均是复合模块，由压电片、副电路板和温度传感器组成，压电片和温度传感器均焊接在副电路板上，副电路板和主电路板4电连接，压电片与导波结构12贴合。其中发射压电片模块51的压电片为发射压电片，接收压电片模块52的压电片为接收压电片。主电路板4上具有无线传输模块，可以将传感器的数据传输至远程监控平台。主电路板4也可以通过数据线进行有线传输。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测厚传感器，包括一体成型的底座、发射压电片模块和接收压电片模块，其特征在于：一体成型的所述底座上有两个超声导波结构，两个所述导波结构之间加工有隔离间隙，所述隔离间隙使得超声从发射压电片通过一体成型的所述底座传播到达接收压电片的时间大于测厚的回声时间。

2.根据权利要求1所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述导波结构顶部对应有凹槽结构，所述凹槽结构内安装发射压电片模块和接收压电片模块，所述导波结构底部由斜切面和与管道或容器接触的平面组成，所述斜切面包括斜切的平面或弧面；所述测厚的回声时间是超声从发射压电片激励并传播到该导波结构的底部的平面，从平面耦合到管道或容器壁内部；从管道或容器壁内表面的超声反射回声，传播到接收压电片所在的导波结构平面耦合，并传播到接收压电片；导波结构的斜切面用于调节平面的宽度，平面的宽度和两个平面之间的隔离间隙大小用于调节测量厚度的量程，同时该斜切面能够减少与管道或容器接触的面积，增加接触面压强，提高超声耦合度。

3.根据权利要求1所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述底座上的两个导波结构与管道或容器接触的接触面处于同一平面上，两个所述导波结构和管道或容器之间通过压紧方式以实现硬耦合超声。

4.根据权利要求1所述的一种测厚传感器，其特征在于：一体成型的所述底座上有两个通孔，两个所述通孔设置在两个导波结构隔离间隙相背的一侧，所述通孔减少所述发射和接收之间耦合，延长发射到接收之间的耦合路径，减少发射到接收之间耦合强度。

5.根据权利要求1所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述底座上有两个安装耳朵，用于和螺杆配合将底座安装至管道或容器上。

6.根据权利要求1或2所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述传感器还包括电源、主电路板，所述电源与接收压电片模块、发射压电片模块、主电路板均电连接。

7.根据权利要求6所述的一种测厚传感器，其特征在于：底座上连接有安装外壳，所述安装外壳与底座密封连接形成一密闭的安装腔，所述电源、主电路板、接收压电片模块和发射压电片模块均位于安装腔内。

8.根据权利要求7所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述安装外壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体与下壳体之间设置有密封圈，所述上壳体与下壳体通过螺栓连接。

9.根据权利要求7所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述安装外壳与底座之间设置有密封组件，所述密封组件封闭所述通孔。

10.根据权利要求1或6所述的一种测厚传感器，其特征在于：所述接收压电片模块和发射压电片模块均包括压电片、副电路板和温度传感器，所述压电片和温度传感器均焊接在副电路板上，所述副电路板和主电路板电连接，所述压电片与导波结构使用粘胶粘接贴合。