CN214471088U

CN214471088U - 超声波流量计振子及超声波流量计

Info

Publication number: CN214471088U
Application number: CN202120261521.8U
Authority: CN
Inventors: 莫楚程; 朱兆焱; 蒋涛明; 刘�东
Original assignee: Audiowell Electronics Guangdong Co ltd
Current assignee: Audiowell Electronics Guangdong Co ltd
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2031-01-29

Abstract

本实用新型涉及一种超声波流量计振子及超声波流量计，超声波流量计振子包括：固定件、第一晶片和第二晶片。第一晶片与第二晶片均与固定件粘接，且第一晶片与第二晶片在固定件的长度方向间隔设置。第一晶片与第二晶片之间设有凹槽，且凹槽的一部分设置在固定件上。上述超声波流量计振子，利用切割机将晶片切割出凹槽，并将其分为第一晶片和第二晶片，能降低第一晶片和第二晶片与固定件粘接处的应力，能够在切片时降低晶片层破损、脱胶的几率，提高良品率。同时，第一晶片和第二晶片之间存在凹槽，在换能过程中，同样的输入信号下能提高第一晶片和第二晶片的厚向振幅，使得超声波流量计振子的输出信号振幅增大，有效增大输出信号的强度和能量。

Description

超声波流量计振子及超声波流量计

技术领域

本实用新型涉及流量计传感技术领域，特别是涉及一种超声波流量计振子及超声波流量计。

背景技术

随着工业技术的发展，出现了液体流量测量技术，通过传感器的换能作用，能够测量液体的流速和流量信息。超声波流量计是一种利用超声波对管道内液体流量进行计量的非接触式测量仪表，其中起关键作用的是超声波流量传感器。当超声波与液体流动方向同向或反向传播时,超声波在液体中的传播速度会相应地加快或变慢,因此,超声波从发射端达到接收端的时间会随着液体流速的变化而发生变化。利用这种现象,超声波流量计可以探测管道中的液体流速,从而实现对管道内液体流量的计量。根据检测方式的不同，超声波流量计还有多普勒法、波束偏移法、时差法等不同类型的流量计量方法。与传统的机械式流量计相比，超声波流量计无需装在流体中，不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，在安转和检修时也不影响管线的运行，使一种理想的节能型流量计。

传统技术中，流量计超声波振子主要组成部分为压电陶瓷和铜合金片，当施加交流激励信号，压电陶瓷会发生厚向振动，而目前的超声波流量计振子受限于尺寸较大，收到激励信号时压电陶瓷的厚向振动幅度较弱，振动能量不集中，导致输出信号较差，同时，传统的超声波振子结构在切割加工时，容易导致陶瓷层破损、脱胶等问题，导致良品率降低。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种超声波流量计振子及超声波流量计，能够有效增大输出信号的振幅，同时能够保护陶瓷层，减少陶瓷层在加工时破损几率。

一种超声波流量计振子，包括：固定件；第一晶片和第二晶片，所述第一晶片与所述第二晶片均与所述固定件粘接，且所述第一晶片与所述第二晶片在所述固定件的长度方向间隔设置，所述第一晶片与所述第二晶片之间设有凹槽，且所述凹槽的一部分延伸至所述固定件上。

上述超声波流量计振子，在加工过程中，首先将整块晶片原料与固定件原料进行粘接；然后通过切割机在晶片上切割出凹槽，使得晶片分为第一晶片和第二晶片；接着继续切割，使得固定件上也被切割，并留有凹槽；最后将粘好的晶片与固定件按照所需尺寸切割成小块。如此，利用切割机将晶片切割出凹槽，并将其分为第一晶片和第二晶片，有效降低第一晶片、第二晶片分别与固定件粘接处的内应力，降低晶片层在切片时的破损、脱胶几率，提高良品率。同时，第一晶片和第二晶片之间存在凹槽，在换能过程中，以同样的输入信号，能获得更高的厚向振幅，使得超声波流量计振子的输出信号振幅增大，有效增大输出信号的强度和能量。

在其中一个实施例中，所述凹槽的槽壁包括依次连接的第一侧壁、底壁及第二侧壁，所述第一侧壁与所述第二侧壁分别对应设置在所述第一晶片和所述第二晶片上，所述底壁设置在所述固定件上，且所述底壁沿所述固定件的长度方向以内凹圆弧方式弯曲。

在其中一个实施例中，所述固定件为金属件。

在其中一个实施例中，所述固定件为铜合金件。

在其中一个实施例中，所述第一晶片和所述第二晶片均为PZT压电陶瓷件。

在其中一个实施例中，所述超声波流量计振子还包括粘接件，所述第一晶片和所述第二晶片均通过所述粘接件与所述固定件粘接。

在其中一个实施例中，所述粘接件为环氧树脂。

在其中一个实施例中，所述第一晶片上远离所述固定件的一侧面与所述第二晶片上远离所述固定件的一侧面齐平。

一种超声波流量计，包括以上任意一项所述的超声波流量计振子，还包括导线，所述导线均电性连接于所述第一晶片和所述第二晶片。

在其中一个实施例中，所述超声波流量计还包括控制件，所述控制件通过所述导线与所述超声波流量计振子电性连接。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中所述的超声波流量计振子的结构示意图；

图2为一实施例中所述的超声波流量计振子的剖视图；

图3为一实施例中所述的输入信号波形图；

图4为一实施例中所述的振动模态对比曲线图。

附图标记说明：

100、超声波流量计振子，110、第一晶片，120、第二晶片，130、凹槽，131、第一侧壁，132、第二侧壁，133、底壁，140、固定件，150、粘接件。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在一个实施例中，请参阅图1与图2，一种超声波流量计振子100，包括：固定件140、第一晶片110和第二晶片120。第一晶片110与第二晶片120均与固定件140粘接，且第一晶片110与第二晶片120在固定件140的长度方向间隔设置。第一晶片110与第二晶片120之间设有凹槽130，且凹槽130的一部分延伸至固定件140上。

上述超声波流量计振子100，在加工过程中，首先将整块晶片的原料与固定件140原料进行粘接；然后通过切割机在晶片上切割出凹槽130，使得晶片分为第一晶片110和第二晶片120；接着继续切割，使得固定件140上也被切割，并留有凹槽130；最后将粘好的晶片与固定件140按照所需尺寸切割成小块。如此，利用切割机将晶片切割出凹槽130，并将其分为第一晶片110和第二晶片120，有效降低第一晶片110、第二晶片120分别与固定件140粘接处的内应力，降低晶片层在切片时的破损、脱胶几率，提高良品率。同时，第一晶片110和第二晶片120之间存在凹槽130，在换能过程中，以同样的输入信号，能获得更高的厚向振幅，使得超声波流量计振子的输出信号振幅增大，有效增大输出信号的强度和能量。

需要说明的是，第一晶片110与第二晶片120应为同一晶片材质，通过后期切割加工，形成了两个独立的第一晶片110与第二晶片120，第一晶片110与第二晶片120属于同一超声波流量计振子100，不能单独起换能作用，而是在同一输入信号下第一晶片110与第二晶片120共同起到换能作用，得到一个输出信号。

为了更清楚地理解与说明固定件140的长度方向，以图2为例，固定件140的长度方向为图2中之间S₁任意一箭头所指的方向。

还需说明的是，凹槽130的一部分延伸至固定件140上应理解为，凹槽130使得第一晶片110与第二晶片120相互独立，且凹槽130向其深度方向穿过粘合层，延伸到固定件140上，使得固定件140上具有凹槽130。

在一个实施例中，请参阅图1与图2，凹槽130的槽壁包括依次连接的第一侧壁131、底壁133及第二侧壁132。第一侧壁131与所述第二侧壁132分别对应设置在第一晶片110和第二晶片120上，底壁133设置在固定件140上，且底壁133沿固定件140的长度方向以内凹圆弧方式弯曲。如此，第一侧壁131、第二侧壁132以及底壁133的连接形成U型槽，如此形状的凹槽130能够便于使用自动切割机切割加工，这种加工方法排泄功能好，无粘刀现象，能够实现一次下刀并成型，无需使用铣床加工凹槽130底部，有利于提高生产效率，降低生产成本。同时，凹槽130的存在使得第一晶片110、第二晶片120分别与固定件140之间的内应力降低，在后续切片时同样使用切割机切割能够减少压电陶瓷的开裂和破损几率，有效提高超声波流量计振子100加工的良品率，降低生产成本，从而提高经济效益。

进一步地，请参阅图1与图2，第一侧壁131与第二侧壁132均为平面。如此，一方面，能够便于使用自动切割机切割加工凹槽130，有利于提高生产效率，降低生产成本。同时，凹槽130的存在使得晶片与固定件140的黏合处应力降低，在后续切片时同样使用切割机切割能够减少压电陶瓷的开裂和破损几率，有效提高超声波流量计振子100加工的良品率，降低生产成本，从而提高经济效益。另一方面，第一侧壁131与第二侧壁132均为平面，使得第一晶片110与第二晶片120结构均匀，换能过程中产生的厚向振动更加稳定，有利于增强波束的指向性，集中输出信号的能量，进而提高超声波流量计振子100的换能效率和使用体验。

在一个实施例中，请参阅图1与图2，固定件140为金属件。如此，金属件的机械强度大，刚性足，有利于保障固定件140的结构稳定性，提高超声波流量计振子100的整体品质。

可选地，固定件140的材质可为金、铜、铝、铁、锡、合金或其它材质。

在一个实施例中，固定件140为铜合金件，如黄铜等。由于铜合金片的机械性能强，硬度高，具有较强的耐腐蚀性能，因此，有利于提高超声波流量计振子100的结构稳定性，提高超声波流量计振子100的整体品质，进而有利于提高超声波流量计振子100的使用体验。本实施例仅提供一种固定件140的实施方式，但并不以此为限。

可选地，第一晶片110与第二晶片120的材质选择可为压电陶瓷如钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(PZT)、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅等,又或者是压电晶体，如水晶、石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂等；还可以是压电聚合物、复合压电材料；又或者是其他压电材质。

具体地，请参阅图1与图2，第一晶片110和第二晶片120均为PZT压电陶瓷件。如此，PZT压电陶瓷件压电性能强，介电常数高，有利于第一晶片110与第二晶片120加工成任意形状，有利于提高超声波流量计振子100的整体品质和换能效率。同时，PZT压电陶瓷的原材料成本低，有利于提高超声波流量计振子100的生产成本，提高超声波流量计振子100的经济效益。本实施例仅提供一种第一晶片110与第二晶片120的材质选择，但并不以此为限。

在一个实施例中，请参阅图2，超声波流量计振子100还包括粘接件150，所述第一晶片110和所述第二晶片120均通过所述粘接件150与所述固定件140粘接。如此，通过粘接件150能够提高第一晶片110和第二晶片120与固定件140的连接稳定性，同时能够避免第一晶片110与第二晶片120与固定件140接触，起绝缘作用，有效减少信号的噪声干扰，提高输出信号的信噪比，提高超声波流量计振子100的整体品质，进而有利于提高超声波流量计振子100的使用体验。

可选地，粘接件150可为环氧树脂、硅胶、ab滴胶、光固树脂等粘接材料。

具体地，粘接件150为环氧树脂。如此，环氧树脂的粘结力强，固化后的机械强度高，固化成型方便，有利于提高第一晶片110和第二晶片120与固定件140的连接稳定性；同时能够避免第一晶片110与第二晶片120与固定件140接触，起绝缘作用，有效减少信号的噪声干扰，提高输出信号的信噪比，提高超声波流量计振子100的整体品质，进而有利于提高超声波流量计振子100的使用体验。本实施例仅提供一种第一晶片110和第二晶片120粘接于固定件140的实施方式，但并不以此为限。

在一个实施例中，请参阅图1与图2，第一晶片110上远离固定件140的远离固定件140的一侧面与第二晶片120上远离固定件140的一侧面齐平。如此，一方面，能够便于使用同样的晶片原料来制作第一晶片110和第二晶片120，无需增加制作步骤，有利于提高生产效率，降低生产成本。同时，凹槽130的存在使得晶片与固定件140的黏合处应力降低，在后续切片时同样使用切割机切割能够减少压电陶瓷的开裂和破损几率，有效提高超声波流量计振子100加工的良品率，从而降低生产成本，提高经济效益。另一方面，第一晶片110与第二晶片120的一端齐平，能够使得第一晶片110与第二晶片120的结构均匀、统一，保证换能过程中第一晶片110与第二晶片120共同产生的厚向振动更加稳定，有利于增强波束的指向性，集中输出信号的能量，进而提高超声波流量计振子100的换能效率和使用体验。

在一个实施例中，第一晶片110与第二晶片120的厚度方向的侧面均与固定件140的厚度方向的侧面齐平。如此，一方面，能够便于使用同样的晶片原料来制作第一晶片110和第二晶片120，便于原材料粘接后使用自动切割机进行切割，无需增加制作步骤，有利于提高生产效率，降低生产成本。同时，凹槽130的存在使得晶片与固定件140的黏合处应力降低，在后续切片时同样使用切割机切割能够减少压电陶瓷的开裂和破损几率，有效提高超声波流量计振子100加工的良品率，从而降低生产成本，提高经济效益。另一方面，第一晶片110与第二晶片120的厚度方向的侧壁与固定件140厚度方向的侧壁齐平，能够使得第一晶片110与第二晶片120的结构均匀并统一，换能过程中第一晶片110与第二晶片120共同产生的厚向振动更加稳定，有利于增强波束的指向性，集中输出信号的能量，进而提高超声波流量计振子100的换能效率和使用体验。

为了验证凹槽130与超声波流量计振子100的振动模态关系，建立超声波流量计振子100的有限元仿真模型，选择PZT材质为第一晶片110和第二晶片120的材质，并设置固定件140为黄铜材质，极化方式为沿Z轴方向，并先后设置空气域和进行网格划分，计算第一晶片110端面处质点沿Z轴方向的振动位移情况。然后在第一晶片110和第二晶片120间添加如上述实施例中的凹槽130，同样计算第一晶片110端面处质点沿Z轴方向的振动位移情况。请参阅图3与图4，图3为加载在超声波流量计振子100上的正弦波输入信号F1(t)，激励频率为1MHz，幅值为150Vpp，周期为1微秒。图4为凹槽130存在时超声波流量计振子100的仿真模型下第一晶片110的同一位置处质点沿Z轴方向振动的位移变化曲线图T₁和无凹槽130的超声波流量计振子100的仿真模型第一晶片110的同一位置处质点沿Z轴方向振动的位移变化曲线图T₂。通过图4可以看出，凹槽130存时，10^-6s后随时间增大，质点沿Z轴方向振动的位移增大。如此可以得到，当凹槽130存在时，第一晶片110和第二晶片120的厚向振动的模态增强，有利于提高超声波流量计振子100的输出信号的强度和能量，进而提高超声波流量计振子100的换能效率和使用体验。

在一个实施例中，请参考图1，一种超声波流量计，包括任意一实施例中的超声波流量计振子100，还包括导线，导线均电性连接于第一晶片110和第二晶片120。

上述超声波流量计，在加工过程中，首先将整块晶片的原料与固定件140原料进行粘接；然后通过切割机在晶片上切割出凹槽130，使得晶片分为第一晶片110和第二晶片120；接着继续切割，使得固定件140上也被切割，并留有凹槽130；最后将粘好的晶片与固定件140按照所需尺寸切割成小块。如此，利用切割机将晶片切割出凹槽130，并将其分为第一晶片110和第二晶片120，有效降低第一晶片110、第二晶片120分别与固定件140粘接处的内应力，降低晶片层在切片时的破损、脱胶几率，提高良品率。同时，第一晶片110和第二晶片120之间存在凹槽130，在换能过程中，以同样的输入信号，能获得更高的厚向振幅，使得超声波流量计振子的输出信号振幅增大，有效增大输出信号的强度和能量。

进一步地，超声波流量计还包括控制件，控制件通过导线与超声波流量计振子100电性连接。如此，通过控制件能够对超声波流量计振子100进行A/D转换，将信号转换成数字信号后便于后续的信号处理操作，形成可视化的流量显示。

可选地，控制件可为单片机、PCB电路板、ADC或其它控制装置。

在一个实施例中，超声波流量计还包括显示件。显示件通过导线与控制件电性连接。如此，控制件将模拟信号转换为数字信号后，显示件能够可视化的显示出液体的流速信息和流量信息，步骤简单，显示效果良好，有利于提高超声波流量计的整体品质和使用体验。

可选地，显示件为PC、LED显示屏、数码管或其它显示设备。

具体地，显示件为LED显示屏。如此，有利于降低超声波流量计的研发成本和生产成本，提高超声波流量计的显示可靠性，同时还有利于减少超声波流量计的体积，提高超声波流量计的使用便捷性，从而提高超声波流量计的整体品质和使用功能体验。本实施例仅提供一种显示件的具体实施方式，但并不以此为限。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种超声波流量计振子，其特征在于，所述超声波流量计振子包括：

固定件；

第一晶片和第二晶片，所述第一晶片与所述第二晶片均与所述固定件粘接，且所述第一晶片与所述第二晶片在所述固定件的长度方向间隔设置，所述第一晶片与所述第二晶片之间设有凹槽，且所述凹槽的一部分延伸至所述固定件上。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述凹槽的槽壁包括依次连接的第一侧壁、底壁及第二侧壁，所述第一侧壁与所述第二侧壁分别对应设置在所述第一晶片和所述第二晶片上，所述底壁设置在所述固定件上，且所述底壁沿所述固定件的长度方向以内凹圆弧方式弯曲。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述固定件为金属件。

4.根据权利要求3所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述固定件为铜合金件。

5.根据权利要求1所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述第一晶片和所述第二晶片均为PZT压电陶瓷件。

6.根据权利要求1所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述超声波流量计振子还包括粘接件，所述第一晶片和所述第二晶片均通过所述粘接件与所述固定件粘接。

7.根据权利要求6所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述粘接件为环氧树脂。

8.根据权利要求1所述的超声波流量计振子，其特征在于，所述第一晶片上远离所述固定件的一侧面与所述第二晶片上远离所述固定件的一侧面齐平。

9.一种超声波流量计，包括权利要求1-8任意一项所述的超声波流量计振子，其特征在于，还包括导线，所述导线均电性连接于所述第一晶片和所述第二晶片。

10.根据权利要求9所述的超声波流量计，其特征在于，所述超声波流量计还包括控制件，所述控制件通过所述导线与所述超声波流量计振子电性连接。