一种双声程双压电片超声波换能器的制作方法

本发明涉及换能器，是一种双声程双压电片超声波换能器。

背景技术：

换能器的应用范围较广泛，不同领域中使用的换能器结构有很大差异。目前专用于超声波燃气表测量流量的普通超声波换能器，由于燃气组份、压力、温度随时发生变化，因此，介质的静止声速极难获得，而准确获得介质的静止声速是准确测量气体流量的必备条件。市场上普遍使用的单晶片超声换能器获得介质声速的方法是通过提高超声波的发射功率以提高接收首波的幅度，对接收信号采用高速adc采样，然后从接收的波形中估算出声超波的传播时间，然后再进一步计算出声速。这种结构的不足是，发射电压高，功耗较大，安全性较低，高速adc的价格昂贵，另外，cpu处理时必须要求在短时间内完成，对cpu的性能要求较高，小流量测量误差较大，qmin误差一般在3%-5%左右。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双声程双压电片超声波换能器，它采用双压电片，在介质中产生双声程，主、辅压电片之间存在固定的声程差，用声程差进行声速测量，从而达到精确测量介质静止声速的目的，以解决现有技术的不足。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案：一种双声程双压电片超声波换能器，包括外壳，外壳上设置环形凸台，环形凸台上开设圆形槽，环形凸台外壁处开设环形安装槽，环形安装槽内安装环形辅压电片，环形辅压电片的上表面设置辅压电密封声阻抗匹配层，圆形槽内安装圆形主压电片，圆形主压电片的上表面设置主压电密封声阻抗匹配层，环形辅压电片的内径大于圆形主压电片的直径，圆形主压电片与环形辅压电片在垂直方向设置固定距离，环形凸台中部开设第一引线孔，第一引线孔内设置第一导线，第一导线穿过外壳位于外壳外部，外壳下部填充封胶层。环形凸台的上边沿高于外壳的上边沿，环形凸台上部外表面为圆锥面。所述圆锥面的底端与外壳的上边沿位于同一平面内。环形安装槽内开设第二引线孔，第二引线孔内设置第二导线，第二导线一端穿过封胶层位于外壳外部。所述圆形主压电片和环形辅压电片均由压电晶体材料或者压电陶瓷材料制成。圆形主压电片的中心线与环形辅压电片的中心线为同一中心线。主压电密封声阻抗匹配层的上表面与辅压电密封声阻抗匹配层间设置固定的距离。

本发明的优点在于：它采用圆形主压电片、环形辅压电片两个压电片，在超声波燃气表中使用时使被测介质内产生两个声程，用两个声程间的声程差测量介质静止声速，从而测量气体流量。本发明所述的带有圆形主压电片和环形辅压电片两个压电片的换能器结构，能在声的传播方向上相差一个固定距离，这个距离在介质最短声波波长的（n+x）倍，最佳设计是n=0，x=0.6至0.8之间，也就是在一个波长内。换能器使用时装在流速屏蔽管内，流速屏蔽管的两端安装换能器，由于流速屏蔽管的屏蔽作用，在换能器前面会形成一个介质流速为0的区域，两个换能器之间由于主、辅压电片的存在，会形成两个声程，主声程的长度小于辅声程的长度，在同一个换能器上的主、辅压电片之间的声波差程中，由于流速屏蔽管的作用，在声波差程中介质流速为0，通过测量主、辅压电片接收到的信号相位时间差，就可以根据主、辅声程差计算出准确的声速，由于在这段差程中介质流速为0，因此测量得到的声速就是介质静止声速。由于本发明能够利用主、辅压电片的声程差准确测量得到介质静止声速，因此能够准确测量得到介质的流速，从而提高了超声波燃气表的测量准确度。

本发明的换能器安装在气体或流体管道内的两端，当其中一个换能器的圆形主压电片发射超声波时，另一个换能器的圆形主压电片先接收到超声波信号，然后环形辅压电片再接收到信号，这样，另一个换能器的圆形主压电片和环形辅压电片之间产生一个声程差，接收到的信号之间有一个时间差。圆形主压电片、环形辅压电片的信号通过“过零”整形后，用鉴相器可以精确测量到该时间差，然后再根据圆形主压电片、环形辅压电片的声程差算出介质的声速，由于换能器的圆形主压电片和环形辅压电片间的介质流速为零，测量到的声速就是介质静止时的声速。目前的脉冲扩展的数字鉴相器的精度可以做到0.1ns-0.3ns，当圆形主压电片、环形辅压电片的声程差为2mm时，声速的测量精度可达到0.01-0.05m/s。经检测，本发明的换能器在超声波燃气表中应用时的流量测量误差为0.1%-0.4%。本发明所述的换能器仅需24v以内的发射电压，使用安全性高，功耗低，涉及的电路工作电压范围在高压cmos范围内，易于实现超声波燃气表专用处理电路的集成化，对cpu要求低，能够对接收信号全部采用“过零”比较，然后进行脉冲扩展鉴相实现时间差的测量，电路处理简单，制造成本低等。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；附图2是图1的俯视结构示意图；附图3是本发明换能器安装在流速屏蔽管内的结构示意图，示意本发明换能器安装在流速屏蔽管内的使用状态，图中a和b分别表示两个换能器，l1表示a换能器中圆形主压电片和b换能器中圆形主压电片之间产生的主声程，l2表示a换能器中圆形主压电片和b换能器中环形辅压电片之间产生的辅声程。

具体实施方式

对照附图对本发明做进一步说明。

本发明所述的一种双声程双压电片超声波换能器，包括外壳1，外壳1上设置环形凸台14，环形凸台14上开设圆形槽4，环形凸台14外壁处开设环形安装槽3，环形安装槽3内安装环形辅压电片5，环形辅压电片5的上表面设置辅压电密封声阻抗匹配层6，圆形槽4内安装圆形主压电片7，圆形主压电片7的上表面设置主压电密封声阻抗匹配层8，环形辅压电片5的内径大于圆形主压电片7的直径，圆形主压电片7与环形辅压电片5在垂直方向设置固定距离，环形凸台14中部开设第一引线孔10，第一引线孔10内设置第一导线13，第一导线13穿过外壳1位于外壳1外部，外壳1下部填充封胶层9。

本发明所述的换能器置入流速屏蔽管两端，两个圆形主压电片间产生主声程，一个圆形主压电片和另一个环形辅压电片间产生辅声程，两个声程有一个声程差，声程差选择为介质最小声波波长的（n+x）倍，n取整数，x为0-1之间的小数，最佳选择n=0，x=0.6—0.8，通过电路板中鉴相器可以测出主辅压电片接收到信号的时间差t，然后用公式c=l/t就可以计算出介质的声速（t为主辅信号时间差，l为主辅压电片的声程差，c为声波速度），再通过cpu运算后从而检测出气体流量。本发明所述换能器置入流速屏蔽管内一端或两端，流速屏蔽管的另一端也可安装公知单压电片换能器，这种安装结构也能精确测量声速，与使用两个本发明所述的换能器效果相同。本发明所述换能器的圆形主压电片信号可以采用“过零”整形，在工作时换能器信号有两个作用，第一是测量介质声速、第二是测量声波沿着介质流动方向正反两个方向的传播时间（超声波时间差法流量计），声速测量是靠同一个换能器上的主辅压电片的信号来实现的，方法如下：由于圆形主压电片和环形辅压电片的声程差小于静止介质的最小声波波长，因此圆形主压电片和环形辅压电片的信号经过过零整形后只需要进行数字检相就可以得到两个信号的精确时间差，然后根据声程差计算出准确声速；沿介质流向正反声波传播时间差测量：只需对接收换能器的圆形主压电片接收信号进行过零整形，然后与参考脉冲进行相比得到超声波传播与参考脉冲之间的时间差，顺流逆流与同一个参考脉冲进行比较，可得到超声波顺着介质流动方向和逆着介质流动方向的传播时间差，然后根据介质静止声速算出介质流动速度。由于本发明可以对接收信号全部采用过零比较，然后再进行脉冲扩展鉴相实现时间差的测量，因此，可使电路设计简单化，并能达到精度高的要求。

本发明所述环形凸台14的上边沿高于外壳1的上边沿，环形凸台14上部外表面为圆锥面12，圆锥面12的底端与外壳1的上边沿位于同一平面内。本发明采用圆锥面12，用于减小对超声波的遮挡，提高环形辅助压电片接收信号的强度。

本发明进一步的方案是：环形安装槽3内开设第二引线孔11，第二引线孔11内设置第二导线，第二导线一端穿过封胶层9位于外壳1外部。

本发明优选的方案是：所述圆形主压电片7和环形辅压电片5均由压电晶体材料或者压电陶瓷材料制成。

本发明进一步的优选方案是：圆形主压电片7是圆饼形，环形辅压电片5是环饼形，圆形主压电片和环形辅压电片平行同轴安装，相互之间距离（n+x）倍介质最小声波波长，这种形状和安装方式使边角效应减至最小，使声波发射与接收对称均匀，进一步保证测量精度。

本发明所述圆形主压电片7的中心线与环形辅压电片5的中心线为同一中心线。它能进一步保证圆形主压电片7、环形辅压电片5两个压电片在空间上呈相互平行状态，产生的声程准确，并在声波传播方向上相差一个固定距离，进一步提高测量准确性。

本发明所述主压电密封声阻抗匹配层8的上表面与辅压电密封声阻抗匹配层6间设置固定距离。这个距离是圆形主压电片和环形辅压电片之间的声程差，取波长的(n+x)倍，其中n取整数，x为0-1之间的小数，最佳方案是n=0，x取0.6-0.8。例如：假设超声波频率选择150khz，如果被测介质的最小波长为2.5mm，那么主辅声程差可以选择为：1.5-2mm。

本发明所述换能器，使用时将两个本发明换能器分别安装在流速屏蔽管的两端，或者一端采用现有技术中的换能器，使换能器上的两个圆形主压电片面向管道内侧，其中一侧换能器的圆形主压电片与对侧换能器的圆形主电片之间产生主声程，与环形辅压电片之间形成辅助声程，主声程和辅声程之间存在声程差，也就是换能器上圆形主压片和环形辅压电片之间的距离差，采用测量圆形主压电片和环形辅压电片之间的信号时间差，然后再根据主、辅压电片之间的声程差计算出被测介质的静止声速，然后再根据两个换能器之间圆形主压电片之间测量得到沿介质流动方向正反传播的超声波时间差，再根据介质的静止声速算出介质流动速度，从而完成气体流量的测量。