CN212943879U - 一种新型气体超声换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型气体超声换能器，包括壳体和包裹在壳体外部的密封外套，所述壳体的内部形成两端开口的腔体；所述腔体一端开口内设有匹配层；所述匹配层、壳体、和密封外套共同形成具有内腔的外壳，所述外壳的内腔中同轴设置有配重环、压电陶瓷芯片、阻尼垫；本实用新型可以有效解决声波在空气中的剧烈耗损问题，减少超声波衰减；可以有效解决在高温下的密封问题，以及大温差下热胀冷缩引起的结构变形造成的密封失效问题；可以对超声信号的幅值衰减和降低具有稳定作用，提高了超声测量的准确性、稳定性，增加了使用寿命。

Description

一种新型气体超声换能器

技术领域

本实用新型涉及一种新型气体超声换能器，属于超声测量技术领域。

背景技术

随我国国民经济的高速发展，对资源的需求越来越大，经历了世界性的金融危机以来，为了保证我国国民经济的可持续发展，节约能源早已提到议事日程上来，国家加大了节能减排力度，出台了相应的法律法规，集中供气计量收费和阶梯气价精确计量收费势在必行。

随着我国科学技术水平的不断提高和综合国力的不断增强，超声燃气表和超声流量计开始大量应用，市场占有率逐步扩大；特别是超声燃气表的市场占有率已达5%以上，而且占有率逐年提高 在以后的5-10年里将取代现在的模式气体计量仪表。

众所周知超声燃气表和流量计量的准确度、稳定性和使用寿命取决于超声换能器的品质、材料、设计、工艺等诸因素。超声波在介质中的传播方式按波形划分，一般有纵波、横波、表面波和兰姆波，超声换能器声匹配层和外壳不仅完成有效耦合、定位、密封等功能，而且直接影响超声波传播的幅值和强度、传播方向和波束的分布，声阻抗的匹配决定了超声换能器的性能和参数的优劣，直接影响到超声流量计的准确度、耐压强度、稳定性和可靠性。因此超声换能器的好坏取决于声匹配层，外壳材料，内结构，压电陶瓷芯片片和配重的比例关系和选型等，超声换能器的结构是决定超声换能器品质的五大关键因素之一（ 五大关键因素：声匹配层、超声换能器的结构设计、压电陶瓷芯片、外壳材料、配重环 ）。

现有技术中的普通换能器大多数靠外壳来解决信号接收，且大都采用不锈钢、铜合金、工程塑料等材料制作外壳，比如外壳的材质为聚酰亚胺或PPS塑料；现有的换能器在实际使用中存在以下问题：

1、超声波衰减大，使得声波在空气中产生剧烈耗损，影响超声测量的准确性、稳定性。

2、现有的换能器温度特性差，高温时密封性能差，尤其是在温度70℃、压力0.5MPa下密封效果不好；并且温度变化时，冷热膨胀会引起结构变形，造成密封失效，降低了换能器的使用寿命；尤其在是大温差下，比如温度在零下25℃到70℃之间变化时，结构变形尤其严重。

3、压电陶瓷芯片片和换能器外壳亲和程度差，使压电陶瓷芯片在较大温度区域里超声波接收的幅值和频率不稳定，变化率较大，造成超声换能器失效和破坏。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，严重影响了超声波气体换能器的使用、推广和发展，所以有必要加以改进。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种新型气体超声换能器，可以有效解决声音在空气中的剧烈耗损问题，减少超声波衰减；可以有效解决在高温下的密封问题，以及大温差下热胀冷缩引起的结构变形造成的密封失效问题；可以对超声信号的幅值衰减和降低具有稳定作用，提高了超声测量的准确性、稳定性，增加了使用寿命。

为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：一种新型气体超声换能器，包括壳体和包裹在壳体外部的密封外套，所述壳体的内部形成两端开口的腔体；所述腔体一端开口内设有匹配层；所述匹配层、壳体、和密封外套共同形成具有内腔的外壳，所述外壳的内腔中同轴设置有配重环、压电陶瓷芯片、阻尼垫。

进一步地，所述壳体为圆柱形结构，所述壳体的一端设有向外翻折90°的外折边，另一端设有向内翻折90°的内折边；

所述腔体在内折边一端开口直径小于在外折边一端的开口直径。

进一步地，所述匹配层设置在腔体靠近内折边一端的开口内，所述匹配层为圆盘形；所述匹配层的侧部与密封外套之间、匹配层端面与壳体之间均通过导电银胶粘接；所述匹配层为高分子声阻抗匹配层。

进一步地，所述阻尼垫为圆盘形，所述阻尼垫的一端面开设中心沉孔和环形槽；所述环形槽设置在中心沉孔的径向外侧；

所述压电陶瓷芯片设在所述中心沉孔内；所述配重环设在环形槽内；

进一步地，所述密封外套一体成型；所述密封外套为阶梯圆柱体结构；所述密封外套沿中心轴线设有贯穿内孔，所述贯穿内孔为阶梯孔；所述贯穿内孔的小孔直径大于腔体在内折边一端的开口直径；

所述贯穿内孔内设有内环槽，所述内环槽用于镶嵌外折边。

进一步地，所述壳体的材质为锡磷青铜；所述密封外套的材质为具有减震、密封性能的硅胶材料。

进一步地，所述阻尼垫设置在腔体内，且阻尼垫的端面与内折边相抵触；

所述阻尼垫的另一端面中心处开设有圆锥孔，所述中心沉孔与圆锥孔的小头端连通。

进一步地，所述压电陶瓷芯片的外侧通过导电银胶与匹配层粘接。

进一步地，所述压电陶瓷芯片上连接有信号线缆，所述信号线缆通过圆锥孔引出至外壳外部。

进一步地，所述外壳内腔靠近阻尼垫的一端用灌封胶封装。

本实用新型采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型可以有效解决声音在空气中的剧烈耗损问题，减少超声波衰减；可以有效解决了在高温下的密封问题，以及大温差下热胀冷缩引起的结构变形造成的密封失效问题；可以对超声信号的幅值衰减和降低具有稳定作用，提高了超声测量的准确性、稳定性，增加了使用寿命。

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是壳体的结构示意图；

图3是密封外套的结构示意图；

图4是阻尼垫的结构示意图；

图5是本实用新型在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-70℃范围内接收超声信号的幅值折线图；

图6是本实用新型在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-零下25℃范围内接收超声信号的幅值折线图；

图7是外壳材质为聚酰亚胺的现有换能器在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-70℃范围内接收射超声信号的幅值折线图；

图8是外壳材质为PPS塑料的现有换能器在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-70℃范围内接收超声信号的幅值折线图；

图中，

1-壳体，101-外折边，102-内折边，103-腔体，2-密封外套，201-贯穿内孔，202-内环槽，3-阻尼垫，301-中心沉孔，302-环形槽，303-圆锥孔，4-配重环，5-匹配层，6-压电陶瓷芯片，7-灌封胶，8-信号线缆。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

实施例1

如图1-4共同所示，本实用新型提供一种新型气体超声换能器，包括壳体1和包裹在壳体1外部的密封外套2，所述壳体1为圆柱形结构，所述壳体1的一端设置有向外翻折90°的外折边101，另一端设置有向内翻折90°的内折边102；所述壳体1的材质为锡磷青铜；所述壳体1的内部形成两端开口的、圆柱形的腔体103；所述腔体103在内折边102一端开口直径小于在外折边101一端的开口直径。

所述壳体1的外部周向包裹有密封外套2，所述密封外套2一体成型；所述密封外套2的材质为具有减震、密封性能的硅胶材料，所述密封外套2为阶梯圆柱体结构；所述密封外套2沿中心轴线设置有贯穿内孔201，所述贯穿内孔201为阶梯孔；所述贯穿内孔201的小孔直径大于腔体103在内折边102一端的开口直径。

所述贯穿内孔201内设置有内环槽202，所述内环槽202用于镶嵌外折边101。

所述腔体103在内折边102一端的开口内设置有匹配层5，所述匹配层5为圆盘形；所述匹配层5的侧部与密封外套2之间、匹配层5端面与壳体1之间均通过导电银胶粘接；所述匹配层5为高分子声阻抗匹配层；高分子声阻抗匹配层是用高分子材料和多种材料组合用一定的工艺配制成的。

所述匹配层5、壳体1、和密封外套2共同形成具有内腔的外壳，所述外壳的内腔中同轴设置有配重环4、压电陶瓷芯片6、阻尼垫3；

所述阻尼垫3为圆盘形，所述阻尼垫3设置在腔体103内，且阻尼垫3的端面与内折边102相抵触；所述阻尼垫3的一端面开设中心沉孔301和环形槽302；所述环形槽302设置在中心沉孔301的径向外侧。

所述阻尼垫3的另一端面中心处开设有圆锥孔303，所述中心沉孔301与圆锥孔303的小头端连通；所述中心沉孔301内设置有压电陶瓷芯片6；所述压电陶瓷芯片6的外侧通过导电银胶与匹配层5粘接。

所述环形槽302内设置有配重环4。

所述压电陶瓷芯片6上连接有信号线缆8，所述信号线缆8通过圆锥孔303引出至外壳外部。

所述外壳内腔靠近阻尼垫3的一端用灌封胶7封装，使超声换能器形成一体。

所述匹配层5、密封外套2和外壳1包裹形成的外壳，将配重环4、压电陶瓷芯片6、阻尼垫3设置在该外壳内部，为声波发射和接收提供了稳定合理结构，能让压电陶瓷芯片6自由的震荡，而在配重环4作用下消除假波和杂波，在阻尼垫3的作用下把压电陶瓷芯片向后发射的声波有效阻挡从而消除了余振。

由表1、表2、图5及图6可以看出，本实用新型采用高分子声阻抗匹配层、锡磷青铜壳体、密封外套形成的外壳，匹配层5与压电陶瓷芯片6在导电银胶的耦合下实现了最佳的亲和度，在不同温度下压电陶瓷芯片6接收超声信号的幅值变化率较小，从而使得本实用新型的输出信号幅值稳定且合理，其接收超声信号的幅值、温度特性曲线平坦。在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在-25°-70°C范围内变化时，接收信号幅值变化≤2mv，外壳内的空间分布不影响超声信号主波束的发射和接受，声阻抗匹配层对气体超声信号的衰减所匹配，有利于超声信号的发射和接收。

表1 本实用新型在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-70℃范围内接收超声信号的幅值

表2 本实用新型在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-零下25℃范围内接收超声信号的幅值

温度（℃）	0	-5	-10	-15	-20	-25
							接收信号幅值（mv）	9.1	8.8	8.6	8.6	8.45	8.3

表3 外壳材质为聚酰亚胺或PPS塑料的现有换能器在在3v激励、7cm测量距离的试验条件下，温度在0℃-70℃范围内接收超声信号的幅值

由表1、表3和图5-8共同所示，可以看出现有技术中聚酰亚胺或PPS塑料外壳的换能器，在0℃-70℃温度范围内，其接收超声信号的幅值变化≥5mv，远大于本申请换能器接收超声信号的幅值变化。

本实用新型采用匹配层5、锡磷青铜的壳体1、密封外套2形成的外壳强度高，密封性能好；经试验，高温高压密封测试，在温度为70°C、压力为0.5MPa条件下，密封可靠，无介质渗漏和压力下降；温度变化密封测试，在低温-25°C、高温70°C大温差条件下试验，密封可靠。

本实用新型采用硅胶材质的密封外套，使用时，密封外套是套在外壳上，然后和仪表上用于安装换能器的安装孔进行相互密封；密封外套与和其接触的部件之间的亲和度、连接强度、抗老化性、密封性均达到最佳匹配，硅胶外置式的密封外套包裹不影响压电陶瓷芯片6的超声波主波束的特性，在超声波主波束范围内没有阻碍结构体，且密封外套远离超声波主波束，因此超声信号不被衰减、屏蔽和干扰。

本实用新型所述超声换能器的外壳使用匹配层和锡磷青铜壳体耦合成型，特别指出的是高分子声阻抗匹配层和锡磷青铜是截然不同的两种材料，要妥善解决两者之间的亲和度、附着力（或粘合度）、机械强度和密封性等理化性能，本实用新型巧妙的使用了导电银胶的粘合结构设计、形体设计，有效的解决了上述课题。

所述密封外套和锡磷青铜壳体合理的内部空间结构和位置设计，保证了平稳的超声波发射和接收，密封性能好，耐压特性和耐温特性同时得到提高，并通过了低温-25°C，高温70°C试验。

本实用新型有效地改善了超声换能器的品质和性能，提高了超声波燃气表和超声波气体流量计的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿命，更加适合于我国集中供气和单户计量的现状，尤其随着国家建筑节能计量收费政策的推行，提高集中供气和单户计量的法定仪表计量精度和改善流量特性有着极其重要的作用，也有着广阔的推广应用前景。

以上所述为本实用新型最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本实用新型的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本实用新型的技术启示而进行的等效变换，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型气体超声换能器，其特征在于：包括壳体（1）和包裹在壳体（1）外部的密封外套（2），所述壳体（1）的内部形成两端开口的腔体（103）；所述腔体（103）一端开口内设有匹配层（5）；所述匹配层（5）、壳体（1）、和密封外套（2）共同形成具有内腔的外壳，所述外壳的内腔中同轴设置有配重环（4）、压电陶瓷芯片（6）、阻尼垫（3）。

2.如权利要求1所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述壳体（1）为圆柱形结构，所述壳体（1）的一端设有向外翻折90°的外折边（101），另一端设有向内翻折90°的内折边（102）；

所述腔体（103）在内折边（102）一端开口直径小于在外折边（101）一端的开口直径。

3.如权利要求2所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述匹配层（5）设置在腔体（103）靠近内折边（102）一端的开口内，所述匹配层（5）为圆盘形；所述匹配层（5）的侧部与密封外套（2）之间、匹配层（5）端面与壳体（1）之间均通过导电银胶粘接；所述匹配层（5）为高分子声阻抗匹配层。

4.如权利要求2所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述阻尼垫（3）为圆盘形，所述阻尼垫（3）的一端面开设中心沉孔（301）和环形槽（302）；所述环形槽（302）设置在中心沉孔（301）的径向外侧；

所述压电陶瓷芯片（6）设在所述中心沉孔（301）内；所述配重环（4）设在环形槽（302）内。

5.如权利要求2所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述密封外套（2）一体成型；所述密封外套（2）为阶梯圆柱体结构；所述密封外套（2）沿中心轴线设有贯穿内孔（201），所述贯穿内孔（201）为阶梯孔；所述贯穿内孔（201）的小孔直径大于腔体（103）在内折边（102）一端的开口直径；

所述贯穿内孔（201）内设有内环槽（202），所述内环槽（202）用于镶嵌外折边（101）。

6.如权利要求1所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述壳体（1）的材质为锡磷青铜；所述密封外套（2）的材质为具有减震、密封性能的硅胶材料。

7.如权利要求4所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述阻尼垫（3）设置在腔体（103）内，且阻尼垫（3）的端面与内折边（102）相抵触；

所述阻尼垫（3）的另一端面中心处开设有圆锥孔（303），所述中心沉孔（301）与圆锥孔（303）的小头端连通。

8.如权利要求1所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷芯片（6）的外侧通过导电银胶与匹配层（5）粘接。

9.如权利要求7所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷芯片（6）上连接有信号线缆（8），所述信号线缆（8）通过圆锥孔（303）引出至外壳外部。

10.如权利要求1所述的一种新型气体超声换能器，其特征在于：所述外壳的内腔靠近阻尼垫（3）的一端用灌封胶（7）封装。

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