CN214487700U - 一种超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种超声波换能器，涉及换能器领域，其技术方案包括匹配层、压电元件以及背衬；所述匹配层设在所述压电元件的第一端面上，所述背衬设在所述压电元件的第二端面上；所述压电元件的第一端面上设有第一电极层，压电元件的第二端面上设有第二电极层；所述压电元件的第一端面上设有凹槽。本实用新型实施例适用于超声波流量计以起到计量作用。

Description

一种超声波换能器

技术领域

本实用新型涉及换能器领域。尤其是涉及一种超声波换能器。

背景技术

气体超声波流量计凭借其稳定性好、测量精度高、量程比宽、维修率低、压力损失小、安装方便等优点，正逐步取代传统的机械式气体流量计。

超声波换能器作为超声波流量计的核心元件，其性能优劣直接影响到流量计的使用，超声波换能器的核心部件通常包括压电元件、匹配层、背衬。

现有的压电元件通常为圆柱形的压电陶瓷，当压电陶瓷在振动时，其径向振动较大，对换能器造成一定程度的干扰，从而影响换能器的性能。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种能够减少压电元件径向振动的超声波换能器。

本实用新型实施例提供一种超声波换能器，包括匹配层、压电元件以及背衬；

所述匹配层设在所述压电元件的第一端面上，所述背衬设在所述压电元件的第二端面上；

所述压电元件的第一端面上设有第一电极层，压电元件的第二端面上设有第二电极层；所述压电元件的第一端面上设有凹槽。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述凹槽设有多个，多个所述凹槽将所述压电元件分割成若干个压电元件单元，多个所述凹槽将所述第一电极层分割成若干个第一电极层单元，每一个所述压电元件单元的宽高比为0.4～0.8。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述凹槽贯穿所述压电元件的侧壁。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，还包括金属件，所述金属件设在所述压电元件与所述匹配层之间；

所述金属件与所述压电元件的第一电极层连接，以将各所述第一电极层单元导通；

所述金属件与所述压电元件通过第一粘接层连接；

所述金属件与所述匹配层通过第二粘接层连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述金属件设有凹陷部，所述压电陶瓷设在所述凹陷部内。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，在所述金属件的凹陷部的顶部边沿向外延伸有金属凸沿。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述背衬包括设在所述压电元件的端面上的第一背衬以及包覆在所述压电元件周侧的第二背衬；

所述第一背衬与所述第二背衬为一体成型结构。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述匹配层以及所述背衬的外表面上分别设有高分子涂层。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，还包括第一导线和第二导线；

所述第一导线与所述压电元件设有第二电极层的端面连接，所述第二导线与所述金属凸沿连接，第一导线和第二导线的端部均从所述背衬穿出，第一导线和第二导线用于电信号的传输。

本实用新型实施例提供的一种超声波换能器，通过在压电元件上开设凹槽，将压电元件等间隔分成若干份，当压电元件产生振动时，由于凹槽的存在，使得振动的传递产生不连续性，即当振动传递至凹槽处，振动强度会显著降低，因此压电元件会呈现出振动强度随径向方向逐渐减弱的现象，进而使得压电元件获得更加纯净的振动，减少径向振动对压电元件所造成的干扰，从而提高超声波换能器的整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1为本申请一实施例超声波换能器的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本申请一实施例提供的超声波换能器的剖视图，如图1所示，本实用新型实施例可包括匹配层1、压电元件2以及背衬3。

匹配层，又叫声学匹配层，其为一种基于环氧树脂和空心玻璃微珠制成的复合材料圆形薄片，匹配层能够较优的完成压电元件与气体介质的声学匹配。

本实施例，匹配层的声阻抗可为0.8MRalys，外径可为11mm，厚度为可1.2mm。在实际使用时，可根据实际情况进行选择，本实施例在此不作限定。

压电元件，为可以实现电能与机械能相互转换的圆形柱状压电陶瓷。

背衬，为吸声结构，其作用是增加换能器振动系统的阻尼，加速消除换能器的余震，通常为环氧树脂、聚氨酯或聚酰胺等材料，通过粘接、灌注或注塑等工艺与压电陶瓷结合在一起。

本实施例，压电元件2为柱形，匹配层1设在压电元件2的第一端面上，背衬3设在压电元件2的第二端面上；

压电元件2的第一端面上设有第一电极层，压电元件2的第二端面上设有第二电极层，这里，第一电极层为负极层，第二电极层为正极层，即匹配层1与压电元件2的负极层连接，背衬3与压电元件2的正极层连接。

第一电极层和第二电极层均为银层电极，银层电极的导电性较好。

压电元件2的第一端面上设有凹槽21，即凹槽21自压电元件2的第一电极层向第二电极层延伸，但不贯穿第二电极层，在压电元件2第二电极层端部预留一定的厚度，保证压电元件2第二电极层即正极层的完整性。

凹槽21设有多个，多个凹槽将压电元件分割成若干个压电元件单元，每个所述压电元件单元的宽高比需要满足在0.4～0.8范围内。

由于多个凹槽将第一电极层分割成若干个第一电极层单元，为了保证换能器正常的运行，每个第一电极层单元分别引出一条导线用于电信号的传输。

通过在压电元件2上开设凹槽21，当压电元件2产生振动时，由于凹槽21的存在，使得振动的传递产生不连续性，即当振动传递至凹槽21处，振动强度会显著降低，因此压电元件2会呈现出振动强度随径向方向逐渐减弱的现象，进而使得压电元件2获得更加纯净的振动，减少径向振动对压电元件2所造成的干扰，从而提高超声波换能器的整体性能。

在一实施例中，压电元件2优选为圆柱形的压电陶瓷，圆柱形的压电陶瓷可以在有效的尺寸内，使超声波换能器的发射面积最大化、信号灵敏度达到最高。

本实施例，压电元件2的厚度可为2.65mm，外径可为10mm，实际使用时可根据具体情况做不同的选择，在此不作限定。

本实施例，凹槽21的宽度为0.2mm，相邻两凹槽21的间距为1.7mm，凹槽21的深度为2.35mm，实际使用时可根据具体情况开设不同规格的凹槽21，本实施例在此不作限定。

为了使压电元件2获得更纯净的振动模式，减少径向振动的干扰，凹槽21贯穿压电元件2的侧壁。

在一实施例中，还可包括金属件4。

金属件4为导电金属材质，可为铜或不锈钢，本实施例在此不作限定。

本实施例，金属件4的厚度为0.2mm。

金属件4设在压电元件2与匹配层1之间，金属件4与压电元件2的第一电极层连接，以将因凹槽的分割所分开的各第一电极层单元导通；

金属件4与压电元件2之间通过第一粘接层5连接，金属件4与匹配层1之间通过第二粘接层6连接。

由于金属件4与第一电极层需要导电，因此，第一粘接层的厚度很薄，不能够影响金属件4与第一电极层之间的导电，或者，第一粘接层采用具有导电性的粘接层。

在一实施例中，金属件4设有凹陷部，压电陶瓷设在凹陷部内，金属件4还能起到一定的支撑作用，作为超声波换能器的骨架，避免超声波换能器在装配时发生变形。

为了进一步提高金属件4的支撑强度，在金属件4的凹陷部的顶部边沿向外延伸有金属凸沿41。

背衬3包括设在压电元件2的端面上的第一背衬3以及包覆在压电元件2周侧的第二背衬3，第一背衬3与第二背衬3为一体成型结构，可通过模具灌注加热固化而成。

背衬3不仅能够加速消除超声波换能器的余震，还可作为超声波换能器的外壳，为超声波换能器装配时提供配合支撑。

而金属凸沿41在第一背衬3内延伸，以避免软性背衬3外壳在装配固定时发生显著变形而影响超声波换能器的性能。

当超声波换能器用于燃气表计量时，在使用过程中超声波换能器与天然气直接接触，而天然气中含有水气及腐蚀性气体(如硫化氢)，随着时间累积，这些气体将渗入到超声波换能器内部，使得内部的压电元件被氧化和腐蚀；另一方面，由于超声波换能器前端的匹配层多为粗糙的多孔结构(多孔结构的目的是为了降低匹配层的声阻抗)，天然气中的湿气容易进入到匹配层中，天然气中的污渍容易附着在匹配层表面，使接收信号减弱。这些因素都会影响计量乃至使整个超声波换能器失效，缩短燃气表的使用寿命。

因此，在匹配层1以及背衬3的外表面上分别设有高分子涂层7。高分子涂层7为D型派瑞林真空气相沉积涂覆层。

该涂层对硫化氢等腐蚀性气体和湿气有极佳的阻隔防护能力，而且真空气相沉积工艺，可以在各种形状的表面包括极窄的缝隙中形成涂层，厚度均匀、连续致密无孔，非常适合用于在天然气等复杂工作环境中保护超声波换能器；另一方面，该涂层厚度可以控制在0.1-100微米范围内，由于其致密性，只需很薄的厚度就可以实现防护效果，而且对于气体超声波换能器本身的声学性能几乎没有影响；此外，该涂层具有很好的干膜润滑特性，在换能器上可以保护匹配层1不受天然气中污渍的损伤与附着，保证换能器的计量精度，同时增强换能器的稳定性、延长换能器的使用寿命。

在一实施例中，还可包括第一导线8和第二导线9；第一导线8与压电元件2设有第二电极层的端面连接，第二导线9与金属件4上的金属凸沿41连接，第一导线8和第二导线9的端部均从所述穿出，第一导线8和第二导线9用于电信号的传输。

本实施例适用于设有金属件的方案，若没有金属件，只需从每个第一电极层单元分别引出一条导线，即同样可实现电信号的传输，两种方案均可，可根据实际情况进行选择。

本申请实施例，提供了一种能够减少径向振动对压电元件2干扰的超声波换能器，使得压电元件2获得更加纯净的振动，提高超声波换能器的整体性能。

需要说明的是，在本文中，各个实施例之间描述的方案的侧重点不同，但是各个实施例又存在某种相互关联的关系，在理解本实用新型方案时，各个实施例之间可相互参照；另外，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种超声波换能器，其特征在于：包括匹配层、压电元件以及背衬；

所述匹配层设在所述压电元件的第一端面上，所述背衬设在所述压电元件的第二端面上；

所述压电元件的第一端面上设有第一电极层，压电元件的第二端面上设有第二电极层；所述压电元件的第一端面上设有凹槽。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：所述凹槽设有多个，多个所述凹槽将所述压电元件分割成若干个压电元件单元，多个所述凹槽将所述第一电极层分割成若干个第一电极层单元，每一个所述压电元件单元的宽高比为0.4～0.8。

3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：所述凹槽贯穿所述压电元件的侧壁。

4.根据权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于：还包括金属件，所述金属件设在所述压电元件与所述匹配层之间；

所述金属件与所述压电元件的第一电极层连接，以将各所述第一电极层单元导通；

所述金属件与所述压电元件通过第一粘接层连接；

所述金属件与所述匹配层通过第二粘接层连接。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于：所述金属件设有凹陷部，所述压电元件设在所述凹陷部内。

6.根据权利要求5所述的超声波换能器，其特征在于：在所述金属件的凹陷部的顶部边沿向外延伸有金属凸沿。

7.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：所述背衬包括设在所述压电元件的端面上的第一背衬以及包覆在所述压电元件周侧的第二背衬；

所述第一背衬与所述第二背衬为一体成型结构。

8.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于：所述匹配层以及所述背衬的外表面上分别设有高分子涂层。

9.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于：还包括第一导线和第二导线；

所述第一导线与所述压电元件设有第二电极层的端面连接，所述第二导线与所述金属凸沿连接，第一导线和第二导线的端部均从所述背衬穿出，第一导线和第二导线用于电信号的传输。

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