DE3103357A1

DE3103357A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE3103357A1
Application number: DE19813103357
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Phys. 3400 Göttingen Engler; Dieter Dipl.-Phys. Dr. Schmidt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1981-01-31
Filing date: 1981-01-31
Publication date: 1982-08-12
Also published as: GB2092409B; DE3103357C2; GB2092409A; CH655023A5; FR2499347B1; US4432237A; FR2499347A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler in Form eines aus einer Gegenelektrode und einer darauf aufliegenden, mit einem Spannring gehaltenen einseitig metallisierten Kunststoffolie gebildeten elektrischen Kondensators.

Solche Ultraschallwandler sind bekannt und werden sehr häufig zu Laufzeitmessungen bei Strömungsfelduntersuchungen in Windkanälen benutzt. Sie weisen ein relativ großes Gehäuse auf und erfordern umfangreiche Halterungen und besondere Stromzuführungen. Die erhebliche räumliche Ausdehnung eines solchen Ultraschallwandlers und der zugehörigen Hilfseinrichtungen führt im Windkanal häufig zu Störungen, die die Meßergebnisse unbrauchbar machen. Darüber hinaus müssen zum Ausmessen eines Strömungsfeldes mehrere aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt werden, zwischen denen der Ultraschallwandler verschoben werden muß. Auf diese Weise lassen sich lediglich stationäre Strömungen oder solche instationären Vorgänge untersuchen, bei denen dank Kenntnis des zu erwartenden zeitlichen Ablauf des Strömungsvorgangs (z.B. in dem Spezialfall von Periodizität) der Meßvorgang zum jeweils richtigen Zeitpunkt ausgelöst werden kann. Dabei sind relativ lange Meßzeiten in Kauf zu nehmen. Die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Ultraschallwandlers sind demnach stark auf Spezialfälle eingeschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Mängel zu beheben und einen Ultraschllwandler zu schaffen, dessen räumliche Abmessungen so gering sind, daß es im Windkanal allenfalls zu vernachlässigbaren Störungen kommt, und der keine umfangreichen Halterungen und Stromzuführungen benötigt, und der so ausgebildet ist, daß sich mehrere Ultraschallwandler gleichzeitig

nebeneinander verwenden lassen, die sich dabei gegenseitig nicht behindern und zugleich simultane Messungen in einem Strömungsfeld ermöglichen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Gegenelektrode und der die Kunststoffolie haltende Spannring elektrisch voneinander isoliert auf einer Leiterplatte befestigt und jeweils mit einem auf dieser vorgesehenen Leiterbahnabschnitt elektrisch leitend verbunden sind. Eine solche Ausbildung des ültraschallwandlers erlaubt geringste Abmessungen, wobei gleichzeitig auf ein besonderes Gehäuse verzichtet werden kann, da dieses hier durch den Spannring und die Leiterplatte gebildet wird. Die Leiterplatte übernimmt dabei zugleich die Funktion einer Halterung und die der Stromzuführung. Komplizierte Halterungen und Verkabelungen sind daher nicht mehr erforderlich. Außerdem kann auf besondere Isolierkörper verzichtet werden, die die Gegenelektrode vom Gehäuse trennen. Störgrößen, wie die Gehäusekapazität, werden durch die Abmessungen und die besondere Anordnung der einzelnen Teile auf ein Minimum reduziert.

Die Gegenelektrode kann scheibenförmig ausgebildet sein und flach auf der Leiterplatte aufliegen, wodurch sich die Abmessungen des Ultraschallwandlers weiter verringern lassen.

Sie kann darüber hinaus aus Kunststoff gebildet sein und zumindest an der Oberfläche elektrisch leitende Zonen aufweisen. Sie läßt sich dadurch bei geringsten Abmessungen kostengünstig

in engen Toleranzen herstellen, wobei die elektrisch leitenden Zonen zum Beispiel in einfacher Weise durch eine Metallbedampf ung erzeugt werden können. Außerdem kann die Gegenelektrode mittels in der Leiterplatte sitzender Schrauben verstellbar sein, so daß sich die Kunststoffolie vorspannen oder bei Bedarf nachspannen läßt.

Der Spannring kann lösbar mit der Leiterplatte verbunden und die Kunststoffolie dabei austauschbar sein. Die Folie läßt sich somit im Falle einer Beschädigung leicht auswechseln.

Die Leiterplatte kann mehrschichtig aufgebaut sein, und die Leiterbahnabschnitte können in verschiedenen Ebenen auf und innerhalb der Leiterplatte angeordnet sein, wodurch ein besonderer raumsparender Aufbau möglich ist. Sie kann flexibel und biegsam ausgebildet sein, so daß sie sich leicht auch auf gekrümmte Flächen aufbringen läßt.

Auf der Leiterplatte können mehrere Ultraschallwandler mit jeweils eigenen Leiterbahnabschnitten zur Stromzuführung angeordnet sein. Auf diese Weise lassen sich sehr einfach ganze Reihen oder Felder von Ultraschallwandlern aufbauen, ohne daß dabei zusätzliche Halterungen erforderlich sind. Mit einer solchen Anordnung lassen sich simultane Messungen in einem Strömungsfeld durchführen, wobei auch schnell ablaufende instationäre Vorgänge erfaßt werden können. Die Ultraschallwandler sind dabei vorteilhafterweise auf der Leiterplatte zu Gruppen zusammengeschaltet. Eine komplizierte aufwendige Verkabelung ist nicht erforderlich. Die Leiterbahnabschnitte einander benachbarter Ultraschallwandler werden dabei zweckmäßigerweise nicht nebeneinander geführt, so daß gegenseitige Beeinflussung und Störungen nicht möglich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf vier nebeneinander auf einer Leiterplatte angeordnete Ultraschallwandler,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Leiterplatte gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht auf die Leiterplatte von unten und

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine andere Anordnung der Ultraschallwandler

Das Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 1 weist eine scheibenförmige Gegenelektrode 2 auf, die auf einer Leiterplatte 6 beispielsweise durch Kleben befestigt ist. Die Oberfläche der Gegenelektrode 2 kann in üblicher Weise ausgebildet sein, beispielsweise können umlaufende Rillen vorgesehen sein. Ein Zapfen 4 auf der Unterseite der Gegenelektrode

2 ist durch eine Bohrung in der Leitplatte 6 geführt. Auf der Gegenelektrode 2 liegt eine einseitig metallisierte Kunststoffolie 5 auf, die von einem die Gegenelektrode 2 umfassenden Spannring

3 gehalten wird, der mit Schrauben 11 auf der Leiterplatte 6 befestigt ist.

Die Leiterplatte 6 ist beidseitig elektrisch leitend beschichtet. In bekannter Weise sind durch Ätzen verschiedene voneinander unabhängige Leiterbahnabschnitte gebildet. Auf der Oberseite der Platte sind dabei Leiterbahnabschnitte 9 und 1o vorgeseher die

elektrisch voneinander isoliert sind, wobei auf den Leiterbahnabschnitten 1o die Gegenelektrode 2 aufliegt. Auf dem Leiterbahnabschnitt 9 dagegen liegt der Spannring 3 mit der einseitig metallisierten Kunststoffolie 5 auf. Auf der Unterseite der Leiterplatte 6 sind Leiterbahnabschnitte 7 und 8 vorgesehen, wobei die Gegenelektrode 2 über den Zapfen 4 mit dem Leiterbahnabschnitt 7 in Verbindung steht. Zweckmäßigerweise wird die Verbindung mit einem Lötpunkt hergestellt. Der Leiterbahnabschnitt 8 steht über die Schrauben 11 mit dem Spannring 3, der Kunststoffolie 5 und dem Leiterbahnabschnitt 9 in Verbindung. Als Anschlußleitungen für den Ultraschallwandler 1 dienen die Leiterbahnabschnitte 7 und 8 auf der Unterseite der Leiterplatte .6. Die verbleibende Oberfläche der Leiterplatte 6 ist mit dem Leiterbahnabschnitt 9 beschichtet. Die Oberfläche der gesamten Anordnung, d.h. der Leiterplatte 6 und der des Ultraschallwandlers 1, ist somit elektrisch leitend, so daß Störungen infolge etwa durch Reibung entstehender elektrischer Aufladungen ausgeschlossen sind.

Die Abmessungen eines solchen Ultraschallwandlers lassen sich sehr gering halten. Er kann insbesondere sehr flach ausgebildet sein, wobei sich sehr leicht eine Gesamtstärke, d.h. die Stärke von Ultraschallwandler 1 und Leiterplatte 6 zusammen, von unter 3mm erreichen läßt. Die elektrischen Eigenschaften bezüglich Frequenzgang und Ein und Ausschwingverhalten entsprechen dabei zumindest den Werten herkömmlicher Einrichtungen .

Auf einer Leiterplatte 6 lassen sich in einfacher Weise mehrere Ultraschallwandler 1 anordnen. Sie können dabei zu einer Reihe ausgerichtet sein, wobei die Spannringe 3 zweckmäßigerweise

rechteckig ausgebildet sind, wie es etwa in Fig. 1 dargestellt ist. Soll eine größere Fläche belegt werden, können auch sechseckige Spannringe 3 benutzt werden, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, wodurch eine besonders dichte Anordnung ermöglicht wird. Die Leiterplatte ist zweckmäßigerweise mehrschichtig angeführt, so daß sich auch eine große Anzahl Leiterbahnabschnitte raumsparend unterbringen läßt. Die Ultraschallwandler 1 lassen sich auf der Leiterplatte 6 zu Gruppen zusammenschalten, wobei beispielsweise die Spannringe 3 und damit die Kunststoffolien untereinander durch die Leiterbahnabschnitte 9 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 miteinander in Verbindung stehen. Die Leiterbahnabschnitte 7 für die Anschlüsse der Gegenelektroden 2 sind so angeordnet, daß die Zuführungsleitungen zweier benachbarter Ultraschallwandler 1 nicht nebeneinander liegen. Auf diese Weise werden gegenseitige Störungen vermieden.

Besondere Halterungen und Stromzuführungen sind für die Ultraschallwandler 1 nicht erforderlich, da beide Aufgaben von der Leiterplatte 6 übernommen werden. Diese läßt sich auch sehr leicht z.B. mit Hilfe von Klebestreifen auf Flächen anbringen. Bei Verwendung einer flexiblen biegsamen Platte können die Flächen auch gekrümmt sein, so daß sich die Ultraschallwandler zum Beispiel auch auf den zylindrischen Flächen innerhalb eines Strahltriebwerkes zubringen lassen.

Andere Ausführungsformen sind ebenfalls denkbar, insbesondere läßt sich die Anzahl der Ultrschallwandler 1 auf der Leiterplatte 6 variieren. Außerdem kann auch die Form der Spannringe 3 sowie der Gegenelektrode 2 abgewandelt werden.

Claims

1 ./' Ul tr aschal lwand ler in Form, eines aus einer Gegenelektrode und einer darauf aufliegenden, mit einem Spannring gehaltenen einseitig metallisierten Kunststoffolie gebildeten elektrischen Kondensators, wobei die Gegenelektrode und die Kunststoffolie elektrisch voneinander isoliert angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (2) und der die davon elektrisch isolierte Kunststoffolie (5) haltende Spannring (3) auf einer Leiterplatte (6) befestigt und jeweils mit einem auf dieser vorgesehenen Leiterbahnabschnitt (7,8 bzw. 7,1o,8,9) elektrisch leitend verbunden sind.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (2) scheibenförmig ausgebildet ist und. flach auf der Leiterplatte (6) aufliegt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (2) aus Kunststoff gebildet ist und zumindest an der Oberfläche elektrisch leitende Zonen aufweist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1- 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (2) mittels in der Leiterplatte (6) sitzenderSchrauben verstellbar ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (3) lösbar mit der Leiterplatte (6) verbunden ist und somit die Kunststoffolie (5) austauschbar ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (6) mehrschichtig aufgebaut ist und die Leiterbahnabschnitte (7-1o) in verschiedenen Ebenen auf und innerhalb der Leiterplatte (6) angeordnet sind.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (6) flexibel und biegsam ausgebildet ist.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte (6) mehrere Ultraschallwandler (1) mit jeweils eigenen Leiterbahnabschnitten (7, 8, 9, 1Ä) zur Stromzuführung angeordnet sind.

9. ültraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (1) auf der Leiterplatte (6) zu Gruppen zusammengeschaltet sind.

1ο. Ultraschallwandler nach Anspruch 8-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnabschnitte (7) einander benachbarter Ultraschallwandler (1) nicht nebeneinander geführt sind.