CN213932677U - 一种用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构。其包括压电本体，其特征是：所述压电本体的截面为圆形或矩形，所述压电本体被多条平行的横向缝和多条平行的纵向缝分割成M*N个阵列的柱状的压电阵元，所述压电本体的上表面设置有公共电极板A与每个所述压电阵元连接，所述压电本体的下表面设置有公共电极板B。本实用新型通过将压电本体分割成M*N个压电阵元，采用同相平面阵列，可以在二维压电平面内的两个正交坐标分别与压电平面法向所构成的两个平面内的声束都得以聚集，可有效地提高发射信号的辐射强度和接收信号的灵敏度，有利于流量测量精度的提高。

Description

一种用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构

技术领域

本实用新型涉及一种用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，属于超声波气体流量测量技术领域。

背景技术

用于气体流量测量的超声波传感器，其关键部件是压电片和匹配层。目前压电片的结构形式主要分为两大类：当工作于200kHz及以下频率时一般采用圆形片状结构；当工作于200kHz以上频率时往往采用方形或圆形切缝结构。方形或圆形切缝结构是将一块压电片分割成连体的数个条形压电振子，一方面可以改变其振动模式或不同振动方向分量的比例，另一方面，这些条形压电振子构成了直线阵列，其阵轴为这些条形压电振子的中心连线，使其在阵轴与条形压电振子平面的法线所构成的平面内的声束得以聚集，从而在压电振子平面的法向获得了更高的辐射强度或更高的接收灵敏度。现有技术中的这种切缝压电片结构，只是在压电片的二维坐标平面内的阵轴方向构成直线阵列，使其该阵轴与压电振子平面法向所构成的平面内的声束得以聚集，而在与该平面正交的平面内并无聚束作用，其声束为扇形声束，这降低了发射信号的辐射强度和接收信号的灵敏度。并且，现有的压电片结构要求切缝精度和一致性较高，不利于加工制造。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种可以提高辐射强度或接收灵敏度的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，包括压电本体，其特征是：所述压电本体的截面为圆形或矩形，所述压电本体被多条平行的横向缝和多条平行的纵向缝分割成M*N个阵列的柱状的压电阵元，所述压电本体的上表面设置有公共电极板A与每个所述压电阵元连接，所述压电本体的下表面设置有公共电极板B。

本实用新型所采用的原理是：根据平面口径面阵列天线的理论，其空间声强是M*N个阵元作用的矢量和，对于同相平面阵列而言，其最大声强处在平面口径面的法向中轴线上，而且同相平面阵列的主瓣宽度最窄，即能量最集中，也就是增益更高，对于辐射而言信号传输距离更远，对于接收而言接收灵敏度更高。本实用新型中，通过设置公共电极板A与每个压电阵元连接可使得每个压电阵元的馈电相位一样，形成同相平面阵列，可提高辐射强度或接收灵敏度。本实用新型中将压电本体分割成M*N个压电阵元，采用同相平面阵列，可以在二维压电平面内的两个正交坐标分别与压电平面法向所构成的两个平面内的声束都得以聚集，可有效地提高发射信号的辐射强度和接收信号的灵敏度，且使其压电平面法向的声束具有轴对称性，故使得声路中的声场具有良好的对称性，有利于流量测量精度的提高。

进一步的，所述压电本体的截面为圆形时，其直径为8-16mm；所述压电本体的截面为矩形时，其边长为6-12mm。

进一步的，还包括设置在所述公共电极板A上部的匹配层和设置在所述公共电极板B下部的吸声材料。匹配层是压电本体与气体之间的过渡层，起到压电本体与气体阻抗之间的过渡转换作用，以提高压电本体与气体之间的信号传输效率。吸声材料可将向背向辐射的声波吸收，以保证单一方向传输。

进一步的，为减小压电阵元之间的耦合影响及便于压电阵元的加工和装配，所述压电阵元的底部通过连接层相连接在一起。

进一步的，为减小压电阵元之间的耦合影响，所述横向缝和所述纵向缝贯穿至所述压电阵元的底部，所述压电阵元的底部通过所述公共电极板B连接在一起。

进一步的，相邻的压电阵元之间的间距为0.1mm-0.3mm。

优选的是，所述压电本体被分割成M*M个阵列的压电阵元。

进一步的，所述压电阵元均匀分布。压电阵元均匀分布的结构具有较窄的主瓣宽度，稍大的旁瓣电平。

进一步的，位于最内侧的压电阵元的尺寸小于位于其外侧的压电阵元的尺寸。该种结构主瓣宽度稍宽，旁瓣电平减小，频带加宽，这是因为不同压电阵元谐振频率的差异所致。

进一步的，位于最外侧的压电阵元的尺寸小于位于其内侧的压电阵元的尺寸。该种结构主瓣宽度稍宽，旁瓣电平减小，频带加宽。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过设置公共电极板A与每个压电阵元连接可使得每个压电阵元的馈电相位一样，形成同相平面阵列，可提高辐射强度或接收灵敏度；通过将压电本体分割成M*N个压电阵元，采用同相平面阵列，可以在二维压电平面内的两个正交坐标分别与压电平面法向所构成的两个平面内的声束都得以聚集，可有效地提高发射信号的辐射强度和接收信号的灵敏度，且使其压电平面法向的声束具有轴对称性，故使得声路中的声场具有良好的对称性，有利于流量测量精度的提高。另外，由于压电阵元数量较多，各压电阵元的尺寸差异不大，对其声束的形状和频率特性影响不大，因此可适当放宽其加工精度，有利于加工制造。

附图说明

图1是实施例1中本实用新型的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视示意图；

图3是图1中的B-B剖视示意图；

图4是实施例2中本实用新型的结构示意图；

图5是图4中的C-C剖视示意图；

图6是图4中的D-D剖视示意图；

图7是本实用新型中的矩形截面的压电本体中压电阵元内小外大分布的结构示意图；

图8是本实用新型中的圆形截面的压电本体中压电阵元内小外大分布的结构示意图；

图9是本实用新型中的矩形截面的压电本体中压电阵元内大外小分布的结构示意图；

图10是本实用新型中的矩形截面的压电本体中压电阵元内大外小分布的结构示意图；

图中，1是匹配层，2是公共电极板A，3是压电本体，31是压电阵元，32是横向缝，33是纵向缝，4是公共电极板B，5是吸声材料,6是壳体，7、8是信号线。

具体实施方式

下面通过非限定性的实施例并结合附图对本实用新型作进一步的说明：

实施例1

如附图1-图3所示，是一种用于气体流量测量的采用同相平面压电阵列结构的超声波换能器的结构示意图，其包括壳体6、匹配层1、公共电极板A2、压电本体3、公共电极板B4、吸声材料5、信号线7和信号线8。匹配层1、公共电极板A2、压电本体3、公共电极板B4、吸声材料5由上至下依次装配在壳体6内。压电本体3可采用现有技术中的任意一种压电材料，本实施例中采用PZT材质的压电本体，PZT材料又名锆钛酸铅，也为现有技术。所述压电本体3的截面为矩形，所述压电本体3被多条平行的横向缝32和多条平行的纵向缝33分割成M*N个阵列的柱状的压电阵元31，公共电极板A2设置在所述压电本体3的上表面，并与每个所述压电阵元31连接，公共电极板B4设置在所述压电本体3的下表面。公共电极板B4可以是压电本体3自身附带的导电层也可以另外敷设导电薄片。本实用新型中，匹配层1是压电本体3与气体之间的过渡层，起到压电本体与气体阻抗之间的过渡转换作用，以提高压电本体与气体之间的信号传输效率。匹配层1为现有技术。公共电极板A2是是所有压电阵元31上表面的附加公共电极，公共电极板B4是所有压电阵元31下表面的公共电极。吸声材料5用于将向背向辐射的声波吸收，以保证单一方向传输。吸声材料5为现有技术。

所述压电本体3的边长优选为6-12mm。压电阵元31是通过切缝加工的方式加工而成，相邻的压电阵元31之间的间距优选为0.1mm-0.3mm。为尽量减小压电阵元之间的耦合影响，切缝加工时，所述横向缝32和所述纵向缝33可贯穿至所述压电阵元31的底部，各压电阵元31的底部可仅通过公共电极板B4连接在一起，或者切缝加工时，所述横向缝32和所述纵向缝33不贯穿至压电阵元31的底部，仅在压电阵元31的底部保留较小厚度的连接层，各压电阵元31的底部通过该连接层相连接在一起。

本实用新型中，压电本体3可分割成M*N个阵列的压电阵元31，优选的是，压电本体3被分割成M*M个阵列的压电阵元31，即压电本体横向和纵向的压电阵元31的数量相同。压电阵元31在压电本体3上可以是均匀分布的，如图2所示，压电阵元均匀分布的结构具有较窄的主瓣宽度，稍大的旁瓣电平。也可以是非均匀分布的，如图7和图9所示，图7所示的是压电阵元内小外大分布的结构，即位于最内侧的压电阵元31的尺寸小于位于其外侧的压电阵元31的尺寸，图9所示的是压电阵元内大外小分布的结构，即位于最外侧的压电阵元31的尺寸小于位于其内侧的压电阵元31的尺寸。非均匀分布的结构其主瓣宽度稍宽，旁瓣电平减小，频带加宽，这是因为不同压电阵元谐振频率的差异所致。

本实用新型中，压电本体3采用M*M个阵列的压电阵元31结构时，其空间声强是M*M个压电阵元作用的矢量和，对于同相平面阵列而言，其最大声强处在平面口径面的法向中轴线上，而且同相平面阵列的主瓣宽度最窄，即能量最集中，其增益更高，对于辐射而言信号传输距离更远，对于接收而言接收灵敏度更高。

对于换能器而言，受结构限制，当压电本体3为矩形截面时，M一般采用3或4或5。

本实用新型装配时，按如下方法进行装配：①在压电本体3的上表面粘接公共电极板A2；②将信号线7和信号线8焊接在公共电极板A2和公共电极板B4上；③在公共电极板A2上粘接匹配层1；④在压电本体3的公共电极板B4上粘接吸声材料5；⑤将壳体6内部涂胶后用工装自下而上套入并定位固定。

本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。

实施例2

如附图4-图6所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中的压电本体3的截面为圆形。

压电本体3的截面为圆形时，其直径优选为8-16mm。

本实施例中的压电本体3的分割方式与实施例1相同。压电阵元31在压电本体3上可以是均匀分布的，如图5所示。也可以是非均匀分布的，如图8和图10所示，图8所示的是压电阵元内小外大分布的结构，即位于最内侧的压电阵元31的尺寸小于位于其外侧的压电阵元31的尺寸，图10所示的是压电阵元内大外小分布的结构，即位于最外侧的压电阵元31的尺寸小于位于其内侧的压电阵元31的尺寸。

对于换能器而言，受结构限制，当压电本体3为圆形截面时，M一般采用5或6或7。

本实施例中的其它部分与实施例1相同，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，包括压电本体(3)，其特征是：所述压电本体(3)的截面为圆形或矩形，所述压电本体(3)被多条平行的横向缝和多条平行的纵向缝分割成M*N个阵列的柱状的压电阵元(31)，所述压电本体(3)的上表面设置有公共电极板A(2)与每个所述压电阵元(31)连接，所述压电本体(3)的下表面设置有公共电极板B(4)。

2.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：所述压电本体(3)的截面为圆形时，其直径为8-16mm；所述压电本体(3)的截面为矩形时，其边长为6-12mm。

3.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：还包括设置在所述公共电极板A(2)上部的匹配层(1)和设置在所述公共电极板B(4)下部的吸声材料(5)。

4.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：所述压电阵元(31)的底部通过连接层相连接在一起。

5.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：所述横向缝和所述纵向缝贯穿至所述压电阵元(31)的底部，所述压电阵元(31)的底部通过所述公共电极板B(4)连接在一起。

6.根据权利要求1所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：相邻的压电阵元(31)之间的间距为0.1mm-0.3mm。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：所述压电本体(3)被分割成M*M个阵列的压电阵元(31)。

8.根据权利要求7所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：所述压电阵元(31)均匀分布。

9.根据权利要求7所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：位于最内侧的压电阵元(31)的尺寸小于位于其外侧的压电阵元(31)的尺寸。

10.根据权利要求7所述的用于气体流量测量的同相平面压电阵列结构，其特征是：位于最外侧的压电阵元(31)的尺寸小于位于其内侧的压电阵元(31)的尺寸。

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