CN218765339U - 一种传感器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种传感器结构，涉及传感器结构技术领域，包括依次连接的波发送器、波接收器、控制器，其中波发送器包括相互连接的发送器、第一换能器；波接收器包括相互连接的第二换能器、放大电路；第一、第二换能器均包括前壳体；后壳体，其为缩颈结构，其横截面较小的一端与前壳体的顶部端面连接；压电陶瓷组件；吸波材料；两条电极引线；当对第一换能器施加电压信号，第一换能器中的两条电极引线将该电压信号传送给压电陶瓷组件，则吸波材料吸收经压电陶瓷组件转换后的超声波信号并配合后壳体横截面较大的一端将超声波信号传递给第二换能器中的压电陶瓷组件。本实用新型实现了超声传感器内部中由金属材料制成的超声波换能器的连接装配。

Description

一种传感器结构

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体为一种气体超声波传感器结构。

背景技术

近十几年来，超声波技术的发展非常迅速，已经深入遍布到各行各业，并不断地扩大到新的应用领域，使得超声波传感器的应用越来越广泛。

超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波信号进行检测。

可以看出，超声波换能器作为超声波传感器内部的一个重要器件，其使用频次也越来越高。超声波换能器主要包括外壳、声窗 (匹配层)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、接收器等几大部分构成。其中，压电陶瓷圆盘换能器起到的作用和一般的换能器相同，主要用于发射并接受超声波；而在压电陶瓷圆盘换能器的上面是接收器，主要由引出电缆、换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成，用作超声波接收器，接受压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。

使用超声波换能器主要考虑的问题就是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。并且由于超声波技术所应用的行业领域众多，为了满足错综复杂的工况环境需求，对超声波换能器的性能参数要求也越来越高，尤其是气体超声波换能器在各个固、气、媒介界面的反射系数以及声阻抗等物理特性相差很大，极易导致阻抗失配，能量穿透率低等难点，为了满足输入输出端的阻抗匹配，以及为了实现装配需求，现有的超声波换能器结构大多只能实现非金属结构之间的连接装配，而非金属结构的气体超声波换能器的连接端面会导致超声波换能器在耐压、耐腐蚀等性能方面产生一定的不足。

实用新型内容

为了解决现有的传感器中的超声波换能器大多只能实现非金属结构之间的连接装配，本实用新型的目的在于提供一种传感器结构，能满足金属材料之间的连接，实现了超声波换能器能够在高压、高低温、腐蚀等苛刻工况环境下稳定测量使用。

本实用新型提供了一种传感器结构，包括依次连接的波发送器、波接收器、控制器，其中波发送器包括相互连接的发送器、第一换能器；波接收器包括相互连接的第二换能器、放大电路，所述第一、第二换能器均包括：

前壳体；

后壳体，其为缩颈结构，其横截面较小的一端与前壳体的顶部端面装配连接，另一端设有过线孔；

压电陶瓷组件，固定设在前壳体内部；

吸波材料，浇注在前壳体的内腔中；

两条电极引线，分别从后壳体的一端依次过线孔后与压电陶瓷组件的两个电极端连接，并灌封于灌注槽内；

当对所述第一换能器施加电压信号，则所述第一换能器中的两条电极引线将该电压信号传送给所述第一换能器中的压电陶瓷组件，则该压电陶瓷组件将电振动信号转换成超声波信号并进行辐射传播，则所述第一换能器中的吸波材料吸收超声波信号并配合后壳体横截面较大的一端将超声波信号传递给所述第二换能器中的压电陶瓷组件。

进一步地，所述压电陶瓷组件，包括：

匹配层，其与前壳体的底部内壁固定连接；

压电陶瓷元件，固定设在前壳体内部的匹配层上方。

进一步地，所述第一、第二换能器还包括接线板，固定设在前壳体内部的压电陶瓷元件上方。

进一步地，所述过线孔包括：

灌注槽，开设在后壳体横截面较大的一端；

两个穿线孔，开设在灌注槽内底部，并与灌注槽连通；

所述两条电极引线分别从后壳体的一端依次穿过灌注槽、两个穿线孔后通过接线板与压电陶瓷元件的两个电极端连接，并通过灌封胶浇注于灌注槽内；

所述灌封胶为高强度电子灌封胶。

进一步地，所述前壳体、后壳体为钛合金材料；

所述前壳体、后壳体装配对接后焊接固定。

进一步地，所述匹配层与前壳体的底部内壁通过胶黏剂粘接固定；

所述压电陶瓷元件与匹配层的上表面通过胶黏剂粘接固定；

所述接线板与压电陶瓷元件的上表面通过胶黏剂粘接固定；

所述胶黏剂为环氧树脂材料。

进一步地，所述前壳体的底部外壁厚度为0.1～3mm。

进一步地，所述穿线孔的直径为0.2mm～5mm。

进一步地，所述压电陶瓷元件为多层层叠结构，层数为2～5 层。

进一步地，所述匹配层的组成包括：高强度不饱和聚酯和金属粉末；

所述吸波材料的组成包括：高强度环氧树脂和金属粉末。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型中的一种传感器结构，通过将传感器内部的波发送器、波接收器的换能器的结构进行改进，具体将换能器内部的压电陶瓷元件为设置多层层叠结构，能够有效提高换能器能量信号；通过将换能器后端的后壳体设置为金属缩颈结构，利用后壳体的缩颈结构横截面较大的一端与吸波材料配合，可显著提高后端尾波吸收率，从而提高换能器的信噪比以及换能器信号稳定性。

此外，本实用新型中设置由钛合金材料制成的前壳体及后壳体作为超声波换能器结构的壳体，可显著提高换能器耐高压性能，耐磨性能，耐腐蚀性能，并且选用钛合金材料与特制匹配层进行声阻抗耦合匹配，可有效提高换能器声波透射率。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型提出的一种传感器结构的结构示意图；

图2是本实用新型提出的一种传感器结构拆分后的结构示意图。

附图标记说明：

1-前壳体，2-后壳体，3-匹配层，4-压电陶瓷元件，5-接线板，6-吸波材料，7-焊道，8-灌封胶，9-电极引线，201-灌注槽，202-穿线孔。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例

如图1-2所示，本发明提供一种传感器结构，包括依次连接的波发送器、波接收器、控制器，其中波发送器包括相互连接的发送器、第一换能器；波接收器包括相互连接的第二换能器、放大电路，其中第一、第二换能器均包括：

前壳体1；后壳体2，其为缩颈结构，其横截面较小的一端与前壳体1的顶部端面装配连接，另一端设有过线孔；压电陶瓷组件，固定设在前壳体1内部；吸波材料6，浇注在前壳体1的内腔中；两条电极引线9，分别从后壳体2的一端依次过线孔后与压电陶瓷组件的两个电极端连接，并灌封于灌注槽201内；

当对第一换能器施加电压信号，则第一换能器中的两条电极引线9将该电压信号传送给第一换能器中的压电陶瓷组件，则该压电陶瓷组件将电振动信号转换成超声波信号并进行辐射传播，则第一换能器中的吸波材料6吸收超声波信号并配合后壳体2横截面较大的一端将超声波信号传递给第二换能器中的压电陶瓷组件。

如图1所示，压电陶瓷组件，包括：

匹配层3，其与前壳体1的底部内壁固定连接；

压电陶瓷元件4，固定设在前壳体1内部的匹配层3上方。

如图1所示，第一、第二换能器还包括接线板5，固定设在前壳体1内部的压电陶瓷元件4上方。

如图1所示，过线孔包括：

灌注槽201，开设在后壳体2横截面较大的一端；

两个穿线孔202，开设在灌注槽201内底部，并与灌注槽201连通；

两条电极引线9分别从后壳体2的一端依次穿过灌注槽201、两个穿线孔202后通过接线板5与压电陶瓷元件4的两个电极端连接，并通过灌封胶8浇注于灌注槽201内；具体地，其中一个电极引线9焊接于压电陶瓷元件4的侧电极端，另一个电极引线9焊接于压电陶瓷元件4的后端电极端。

其中，灌封胶8为高强度电子灌封胶。

如图1所示，前壳体1、后壳体2为钛合金材料；

前壳体1、后壳体2装配对接后焊接固定，具体地前壳体1、后壳体2通过焊道7焊接固定。

如图1所示，匹配层3与前壳体1的底部内壁通过胶黏剂粘接固定；

压电陶瓷元件4与匹配层3的上表面通过胶黏剂粘接固定；

接线板5与压电陶瓷元件4的上表面通过胶黏剂粘接固定；

胶黏剂为环氧树脂材料。

如图1所示，前壳体1的底部外壁厚度为0.1～3mm。

如图1所示，穿线孔202的直径为0.2mm～5mm。

如图1所示，压电陶瓷元件4为多层层叠结构，层数为2～5 层。

本实用新型中的匹配层3的组成包括：高强度不饱和聚酯和金属粉末；

本实用新型中的吸波材料6的组成包括：高强度环氧树脂和金属粉末。

在本实用新型中因钛合金本身具有高强度、高耐腐蚀和耐磨特性，通过采用分别由钛合金制成的前壳体1与后壳体2，经过焊接之后形成密闭式保护外壳，有利于对换能器核心电子元件组件进行有效的保护；通过前壳体1内部的匹配层3、压电陶瓷元件4、后端吸波材料6对前壳体1的壳体腔体内进行填充，以及后壳体2的缩颈结构，起到了对壳体的内部支撑与限位作用，大大提高了承压、耐腐蚀性和耐磨等性能，由此保证了超声波换能器能在高压、高低温、腐蚀、易磨损等工况环境下稳定工作，进而提高了超声波设备在复杂的工况环境下的测量精度。

本实用新型的使用方法及工作原理：

具体操作步骤：

步骤S1：将接线板5与压电陶瓷元件4后端进行粘连。

步骤S2：将两个电极引线9分别焊接于压电陶瓷元件4的侧电极端、后电极端

步骤S3：匹配层3后端面粘接于压电陶瓷元件4前端面。

步骤S4：匹配层3前端面粘接于前壳体1前端面内壁。

步骤S5：两个电极引线9分别穿过后壳体2上的过线孔202。

步骤S6：前壳体1与后壳体2配装后进行焊接连接。

步骤S7：后端吸波材料6通过后壳2内孔进行浇筑。

步骤S8：灌封胶8灌封于后壳体2上的灌注槽201内。

工作原理：本实用新型中的传感器在使用时，当对波发送器中的换能器施加电压，通过两条电极引线9将所施加的电压信号传送给压电陶瓷组件中的压电陶瓷元件，则该换能器中的压电陶瓷元件将电振动信号转换成超声波信号并进行辐射传播，吸波材料6吸收超声波信号并配合后壳体2横截面较大的一端将超声波信号发送给波接收器中的换能器。

最后说明的是：以上公开的仅为本实用新型的一个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种传感器结构，包括依次连接的波发送器、波接收器、控制器，其中波发送器包括相互连接的发送器、第一换能器；波接收器包括相互连接的第二换能器、放大电路，其特征在于，所述第一、第二换能器均包括：

前壳体(1)；

后壳体(2)，其为缩颈结构，其横截面较小的一端与前壳体(1)的顶部端面装配连接，另一端设有过线孔；

压电陶瓷组件，固定设在前壳体(1)内部；

吸波材料(6)，浇注在前壳体(1)的内腔中；

两条电极引线(9)，分别从后壳体(2)的一端依次过线孔后与压电陶瓷组件的两个电极端连接，并灌封于灌注槽(201)内；

当对所述第一换能器施加电压信号，则所述第一换能器中的两条电极引线(9)将该电压信号传送给所述第一换能器中的压电陶瓷组件，则该压电陶瓷组件将电振动信号转换成超声波信号并进行辐射传播，则所述第一换能器中的吸波材料(6)吸收超声波信号并配合后壳体(2)横截面较大的一端将超声波信号传递给所述第二换能器中的压电陶瓷组件。

2.根据权利要求1所述的一种传感器结构，其特征在于：所述压电陶瓷组件，包括：

匹配层(3)，其与前壳体(1)的底部内壁固定连接；

压电陶瓷元件(4)，固定设在前壳体(1)内部的匹配层(3)上方。

3.根据权利要求2所述的一种传感器结构，其特征在于：所述第一、第二换能器还包括接线板(5)，固定设在前壳体(1)内部的压电陶瓷元件(4)上方。

4.根据权利要求3所述的一种传感器结构，其特征在于：所述过线孔包括：

灌注槽(201)，开设在后壳体(2)横截面较大的一端；

两个穿线孔(202)，开设在灌注槽(201)内底部，并与灌注槽(201)连通；

所述两条电极引线(9)分别从后壳体(2)的一端依次穿过灌注槽(201)、两个穿线孔(202)后通过接线板(5)与压电陶瓷元件(4)的两个电极端连接，并通过灌封胶(8)浇注于灌注槽(201)内；

所述灌封胶(8)为高强度电子灌封胶。

5.根据权利要求1所述的一种传感器结构，其特征在于：所述前壳体(1)、后壳体(2)为钛合金材料；

所述前壳体(1)、后壳体(2)装配对接后焊接固定。

6.根据权利要求3所述的一种传感器结构，其特征在于：所述匹配层(3)与前壳体(1)的底部内壁通过胶黏剂粘接固定；

所述压电陶瓷元件(4)与匹配层(3)的上表面通过胶黏剂粘接固定；

所述接线板(5)与压电陶瓷元件(4)的上表面通过胶黏剂粘接固定；

所述胶黏剂为环氧树脂材料。

7.根据权利要求1所述的一种传感器结构，其特征在于：所述前壳体(1)的底部外壁厚度为0.1～3mm。

8.根据权利要求4所述的一种传感器结构，其特征在于：所述穿线孔(202)的直径为0.2mm～5mm。

9.根据权利要求2所述的一种传感器结构，其特征在于：所述压电陶瓷元件(4)为多层层叠结构，层数为2～5层。

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