CN201163819Y - 一种动态予应力换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态予应力换能器，包括：换能器发射基座通过螺纹连接钛合金的穿心紧固杆，穿心紧固杆上套装绝缘套管，在绝缘套管上套装至少一片以上压电陶瓷基片及电极引出片，在穿心紧固杆外套装弹簧将压电陶瓷基片及电极引出片压紧在换能器发射基座上；所述换能器发射基座上还具有角度值在31度至41度之间任意角度的声波聚能夹角，夹角与穿心紧固杆同一轴心。采用钛合金穿心紧固杆及弹簧，可串联多片压电陶瓷基片，给予动态的应力调节，减少体积，满足油井内使用；通过换能器基座上的锥顶角θ，实现对换能器机械振动所产生的声波的聚焦作用，达到远距离的传输效果。

Description

一种动态予应力换能器

技术领域

本实用新型涉及换能器技术领域，特别是指一种动态予应力换能器。

背景技术

电声换能器广泛的应用于机电一体化技术中，均采用压电陶瓷基片组成，利用压电陶瓷的物理正逆压电效应，可以把电效应转变成机械效应。由于转换效率高，能量损耗小而在机电转换方面得到广泛应用，诸如超声波无损探伤，超声波无污染焊接等方面。

为了提高换能器输出功率，使其具有更广泛的应用，现有的电声换能器传统设计上多采用将环状压电陶瓷基片(双侧涂附导电层)多片串联轴向叠加形式，在其空心中轴使用穿心螺杆直接紧固成柱状体，目的是在适度挤压条件下获得更大的复合型机械震动位移，从而产生幅度很强的声波脉冲。

现有的电声换能器的基片是由陶瓷材料构成，其中加入锆钛酸铅固溶体后，仍属陶瓷化合物，质地硬而脆。当多片串联叠加紧固后，虽然获得了更大的机械震动位移，但经常造成中轴紧固螺杆的断裂。如果单方面加大螺杆挤压锁紧强度，又会因陶瓷基片无法有效释放机械能量而造成基片碎裂。因为目前国内尚很难找到既能保证紧固强度又有极好弹性和抗疲劳特性的金属材料制作紧固杆，这就导致大幅度提高电声换能器功率的目的难于实现。人们只能采取将少量压电陶瓷基片串联成单柱体后，再将同样的多个单柱体在同一平面相互平行并联的工艺方式，但此种方式会导致整个电声换能器体积庞大复杂，在许多应用领域受到限制。

在石油油井井下测试技术中，目前有一种利用油管传输井下声波编码信号的新测试工艺，其核心换能器是在井下使用聚焦电声换能器完成电声信号的转换。但由于受油井井筒尺寸限制，传统的平行多柱式电声换能器因体积大而无法应用到油管中的问题；另外，传统电声换能器不具备聚焦功能，属散射式发射，导致进入油管内向上传播的声能减弱，存在地面井口无法接收到有用声信号的问题。因此，此种新测试工艺目前急需得到小体积的功率型聚焦电声换能器的技术支持。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型在于提供一种动态予应力换能器，以解决上述电声换能器体积较大而无法应用到油管中的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供一种动态予应力换能器，包括：

换能器发射基座通过螺纹连接钛合金的穿心紧固杆，穿心紧固杆上套装绝缘套管，在绝缘套管上套装至少一片以上压电陶瓷基片及电极引出片，在穿心紧固杆外套装弹簧将压电陶瓷基片及电极引出片压紧在换能器发射基座上。

其中，所述换能器发射基座上还具有角度值在31度至41度之间任意角度的声波聚能夹角，所述夹角与穿心紧固杆同一轴心。

其中，穿心紧固杆上还安装有前压环、后压环，将弹簧卡持在前压环、后压环之间。

其中，换能器发射基座上还具有密封胶圈。

其中，换能器发射基座上还具有锥度为1∶16、螺距2.54mm的外锥管螺纹。

本实用新型中的动态予应力换能器，由于采用钛合金穿心紧固杆及弹簧，可串联多片压电陶瓷基片，在满足机械位移的需要下，可给予动态的应力调节，并有效降低体积，满足油井内使用；通过换能器基座上的锥顶角θ，实现对换能器机械振动所产生的声波的聚焦作用，达到远距离的传输效果。

附图说明

图1是实施例的结构图。

具体实施方式

为清楚说明本实用新型的设备，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

参见图1，图1是实施例的组装结构图，在该实例中包括：换能器发射基座1，穿心紧固杆5的前部采用螺纹连接方式与换能器发射基座1予以紧固，在穿心紧固杆5上套装绝缘套管6；穿心紧固杆5上依次套装压电陶瓷基片3，可至少套装8至10片。在各压电陶瓷基片3之间穿装着各电极引出片4。在最后1片电极引出片4之后套装弹簧8；在套装弹簧8的两端安装有前压环7和后压环9，在后压环9之后旋装双紧固螺母10。

换能器发射基座1后端面有内螺纹孔，用于紧固穿心紧固杆5。穿心紧固杆5采用经特殊工艺处理的钛合金材料，具有强度高，自重小，抗疲劳高等有点。

由于该换能器可使用在油井中，为使内部绝缘，在予应力换能器发射基座1的后部设有O形密封圈2，使其在装入石油测试仪器外管内时，实现密封联接目的。

该予应力换能器在用于石油井下测试仪器中时，可利用换能器发射基座1的管螺纹部分，将予应力换能器主体放入井下仪器密封工作筒中，同时配装其它相关电子控制设备。然后将其发射换能器基座1前部的外锥管螺纹(锥度为1∶16，螺距2.54mm)与石油管端头内锥管螺纹(锥度为1∶16，螺距2.54mm)彼此联接。予应力换能器在测试仪器的主控下，会将受控声波脉冲沿油管向上传播。

上述予应力换能器在组装时，穿心紧固杆5选用钛合金紧固杆材料，并综合考虑所选压电陶瓷基片3的静态压力，动态压力，固有频率，固有电容量等制造技术参数及所设计的钛合金紧固杆材料特性和弹簧动态予应力等关键技术性能。组装后施加频率为15KHz，Vp-p220V电脉冲，可在换能器发射基座1前端测得被聚焦后发射的同频等幅声波脉冲。

本实用新型中的予应力换能器同时针对在某些特定应用场合，如石油井下测试仪器中要求予应力换能器所产生的震动声波能够沿与其对接的油管内向上传播，而不产生无用的周边散射声波。为此，在换能器基座的机械设计上选择特定的聚焦辐射角θ，换能器发射基座1前端面开有锥顶角为θ的内凹面，该θ角度范围为31度至41度之间任意角度，后端面有连接穿心紧固杆5的内螺纹孔。

在各压电陶瓷基片3之间穿装平板式电极引出片4，用于各基片的引出片电气组合。在穿心紧固杆5后部穿装着前、后压环，中间夹装弹簧8，弹簧8选用扁形截面圆柱螺旋压缩弹簧，选用材料为65Mn，弹性模量206E/GPa，切变模量79G/GPa，硬度40-50HRC，由此构成动态予应力紧固机构。该动态紧固机构，可在工作过程中，由弹簧8实现应力的动态储能与释能。

上述实施例中的采用予应力机构的换能器，由于采用了钛合金紧固杆及弹簧复合成柔性予应力紧固方式，既能保证压力陶瓷基片在压紧状态下将电能充分转换成最大振幅机械能，又能在满功率电脉冲激发状态下(即基片振幅最大时)柔性紧固系统利弹簧储能效应保证系统的合理预应力。采用实际测试表明，予应力换能器在电脉冲电压4KV，脉冲频率15KHz条件下，换能器能够连续稳定工作，瞬时输出功率可达1KW，从未产生基片碎裂和断杆现象。

另外，在换能器基座1上的锥顶角θ的内凹面，实现对换能器机械振动所产生的声波的聚焦作用，同平面型发射换能器相比较，轴向声强提高约25％。

本实用新型中的动态予应力换能器，由于采用钛合金穿心紧固杆及弹簧，可串联多片压电陶瓷基片，在满足机械位移的需要下，可有效降低体积，满足油井内使用；通过换能器基座上的锥顶角θ，实现对换能器机械振动所产生的声波的聚焦作用，达到远距离的传输效果。

对于本实用新型各个实施例中所阐述的动态予应力的换能器，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种动态予应力换能器，其特征在于，包括：

换能器发射基座(1)通过螺纹连接钛合金的穿心紧固杆(5)，穿心紧固杆(5)上套装绝缘套管(6)，在绝缘套管(6)上套装至少一片以上压电陶瓷基片(3)及电极引出片(4)，在穿心紧固杆(5)外套装弹簧(8)将压电陶瓷基片(3)及电极引出片(4)压紧在换能器发射基座(1)上。

2、根据权利要求1所述的动态予应力换能器，其特征在于，所述换能器发射基座(1)上还具有角度值在31度至41度之间的声波聚能夹角，所述夹角与穿心紧固杆(5)同一轴心。

3、根据权利要求1所述的动态予应力换能器，其特征在于，穿心紧固杆(5)上还安装有前压环(7)、后压环(9)，将弹簧(8)卡持在前压环(7)、后压环(9)之间。

4、根据权利要求1所述的动态予应力换能器，其特征在于，换能器发射基座(1)上还具有密封胶圈(2)。

5、根据权利要求1所述的动态予应力换能器，其特征在于，换能器发射基座(1)上还具有锥度为1∶16、螺距2.54mm的外锥管螺纹。

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