用于超声换能器的压电电池支承件的制作方法

用于超声换能器的压电电池支承件
1.描述
2.本发明涉及超声换能器领域，并且具体地涉及包括在超声流量计中的超声换能器。


背景技术：

3.在设计流量计时，自然确保当流量计在“现场”操作时获得的流量计计量部分的性能类似于当在工厂中测试台上校准流量计时获得的性能。
4.因此，有必要考虑可能干扰测量甚至可能完全伪造(篡改)测量的众多因素。这些因素具体地包括在操作中围绕流体流量计的条件，尤其是包括施加至计量部分的流体的温度和压力。
5.对于包括均设有相应的压电单元(压电电池)的超声换能器的超声流体计，掌握压电电池的组装(方式)对于确保计量部分的坚固性至关重要。
6.参照图1，通过所谓的“水平式”组装(组件)来组装流量计的常规超声换能器1。超声换能器1包括壳体2，该壳体具有底部3以及从底部3垂直延伸的垂直内壁4。组装包括将粘合剂5施加至壳体2的底部3，将压电电池6的正面压靠外壳2的底部3，以及当设置粘合剂时将垂直力施加在压电电池6的支承件7(或“背衬”)上，从而将压电电池6抵靠壳体2的底部3紧固。
7.如今水平式组装已经很好地掌握了。
8.然而参照图2，已经设想应当使超声换能器10的压电电池9的正面压靠壳体12的垂直内壁13的表面,而不是压靠壳体12的底部11。这在此称为“垂直式”组装。然后，在设置粘合剂时，很难在支承件14上施加水平力，具体是因为壳体12的宽度l可能很小(通常等于1厘米(cm))。
9.在这种垂直式组装中，压电电池9与垂直内壁13之间的联接质量非常重要。具体地，作用在垂直外壁15上的水的压力趋向于使压电电池9从垂直内壁13松开。劣化的联接导致信号电平的损失，或者在压电电池9从垂直内壁13完全松开的情况下，甚至导致信号的完全损失。
10.自然，绝不能进行联接优化，以免影响测量精度。为了保证随着温度的变化而稳定的测量性能，已知的是，在选择构成超声换能器10的所有元件的所有材料时，尤其是在选择用于制造支承件14的(一种或多种)材料时，必需谨慎选择。支承件14的声阻抗必须尽可能随温度变化而是稳定的。提供这种声阻抗稳定性的最佳材料是空气，因为鉴于压电电池9与空气之间存在较大的阻抗差，因此无论温度是等于5℃还是70℃，传输到空气中的能量的量几乎为零。因此，压电电池9产生的所有能量都被传输到水中。然而，仅由空气制成的支承件不能保证随着作用于超声换能器10的壳体11的垂直外壁15的流体压力的变化而是稳定的测量性能。
11.此外，为了保证不同换能器之间测量性能的良好再现性，适宜的是确保组成超声换能器的各元件能够以可重复的方式组装。
12.参照图3，当压电电池16具有环绕型的第二电极18和第一电极17时，该问题尤其严重。第一电线连接于第一电极17，并且第二电线连接于第二电极18。声场的形状取决于连接的位置，因此其必须受到良好的控制和并且是可重复的。
13.图4示出了第一计量器的两个超声换能器的压电电池19的角度位置，以及第二计量器的两个超声换能器的压电电池20的角度位置。可以看出，当角度位置不同时，声场不同，测量性能也有可能不同。
14.发明目的
15.本发明的目的是提供一种压电电池支承件，该压电电池支承件用于使压电电池在超声换能器中的组装、特别是对于垂直式组装而言是容易且可重复的，并且用于进行根据流体施加的温度和压力而是稳定的测量。


技术实现要素：

16.为了实现该目的，提供了一种用于超声换能器的压电电池支承件，该支承件包括正面，该正面具有在其上形成的：
17.·
第一肩部，该第一肩部限定了支承表面以及由该支承表面围绕的中心空腔的底部，该支承表面适于在其上放置压电电池；
18.·
保持装置和角度定位装置，用于将压电电池保持在支承表面上并用于成角度地对其进行定位；
19.以及背面，该背面具有倾斜表面，该倾斜表面使支承件的顶部部分的第一厚度小于支承件的底部部分的第二厚度。
20.当压电电池安装在支承件上并通过保持装置保持到位时，压电电池的边缘抵靠支承表面定位，并且充满空气的中心空腔由压电电池的中心部分封闭。因此，由包括压电电池及其支承件的超声换能器获得的测量值随着温度和压力两者的变化是稳定的。用于将压电电池成角度地定位在支承表面上的装置确保了连接部在支承件和压电电池单元的每次组装中处于相同位置，从而使得这种组装是完全可重复的。
21.倾斜表面以及支承件的顶部部分与底部部分之间的厚度差异极大地促进了压电电池的垂直式组装，特别是在具有小宽度的壳体中。
22.还提供如上所述的支承件，其中，角度定位装置包括用于电线的通道，这些电线连接于压电电池的电极。
23.还提供如上所述的支承件，其中，通道包括穿过支承件的顶部部分的顶部外侧壁的孔。
24.还提供如上所述的支承件，其中，支承件的底部部分包括支承件的底面，该底面用于放置在超声换能器的外壳的壳体的底部上。
25.还提供如上所述的支承件，其中，支承表面以及支承件的正面的正外表面在支承件的正面上形成第二肩部，保持装置包括形成在支承件的在正外表面与支承表面之间延伸的内壁上的至少一个突起。
26.还提供如上所述的支承件，其中，支承表面设置为接纳圆形截面的压电电池。
27.还提供如上所述的支承件，其中，支承表面设置为接纳正方形或矩形截面的压电电池。
28.还提供如上所述的支承件，其中，支承件由塑料材料制成。
29.还提供如上所述的支承件，其中，支承件由金属材料制成。
30.还提供一种组件，该组件包括压电电池和如上所述的支承件，该压电电池安装在支承表面上并封闭充满空气的中心空腔。
31.还提供一种超声换能器，该超声换能器包括外壳，该外壳限定壳体、压电电池和如上所述的支承件，压电电池安装在支承件上，压电电池和支承件定位在壳体内。
32.还提供如上所述的超声换能器，其中，壳体包括底部以及从壳体的底部延伸的内壁，压电电池和支承件以使得压电电池抵靠壳体的内壁定位的方式设置在壳体中。
33.还提供如上所述的超声换能器，其中，壳体的内壁相对于壳体的底部以45
°
至90
°
范围内的角度倾斜。
34.还提供一种超声流量计，该超声流量计包括如上所述的第一超声换能器和第二超声换能器。
35.还提供如上所述的超声流量计，该超声流量计包括用于使流体流通过的管道；第一超声换能器的第一壳体和第二超声换能器的第二壳体，它们分别从管道的内侧壁的第一区域和第二区域延伸到管道的内侧中，第一超声换能器的第一压电电池和第二超声换能器的第二压电电池，它们彼此面对且平行地定位和定向。
36.还提供如上所述的超声流量计，其中，第一壳体的第一纵向轴线和第二壳体的第二纵向轴线相对于内侧壁的第一区域和第二区域分别以45
°
至90
°
的角度倾斜。
37.还提供如上所述的超声流量计，其中，第一超声换能器和第二超声换能器定位成使得第一超声换能器的第一位置在包含管道的中心纵向轴线的平面的一侧上呈现第一偏移，并且使得第二超声换能器的第二位置在所述平面的另一侧上呈现第二偏移。
38.还提供了一种组装如上所述的超声换能器的方法，该方法包括以下步骤：
39.·
将压电电池安装在支承件的支承表面上；
40.·
将粘合剂施加至壳体的内壁的第一表面和/或压电电池的正面；
41.·
将压电电池和支承件插入换能器的壳体中，使得支承件的底部部分搁置在壳体的底部上，并且使得压电电池压靠壳体的内壁的第一表面；
42.·
在支承件的背面与壳体内壁的面向第一表面的第二表面之间将工具插入到壳体中，使得该工具在支承件的倾斜表面上从支承件的顶部部分朝向底部部分滑动，从而使压电电池压靠壳体内壁的第一表面。
43.根据对本发明的特定、非限制性实施例的以下描述，可以更好地理解本发明。
附图说明
44.参考附图，其中：
45.[图1]图1示出了作为水平式组件组装的超声换能器；
[0046]
[图2]图2示出了作为垂直式组件组装的超声换能器；
[0047]
[图3]图3示出了具有环绕型电极(环抱式电极)的压电电池；
[0048]
[图4]图4示出了两个流量计的压电电池；
[0049]
[图5]图5是本发明的压电电池支承件的正面的立体图；
[0050]
[图6]图6是支承件的背面的立体图；
[0051]
[图7]图7是其上安装有压电电池的支承件的正面的立体图；
[0052]
[图8]图8是其上安装有压电电池的支承件的顶部部分的立体图；
[0053]
[图9]图9是支承件和压电电池在垂直于压电电池的面的平面上的剖视图；
[0054]
[图10]图10示出了组装超声换能器的方法的各步骤；
[0055]
[图11]图11是垂直面上的剖面示意图，示出了水表的管道和两个超声换能器；
[0056]
[图12]图12是与图11类似但是从上方观察的视图。
具体实施方式
[0057]
参照图5至9，本发明的压电电池支承件20具有正面21和背面22。
[0058]
正面21具有第一肩部23和第二肩部24。
[0059]
第一肩部23限定支承表面25、中心空腔26的底部以及从中心空腔26的底部垂直延伸至支承表面25的第一内壁27。中心空腔26由底部和第一内壁27限定。
[0060]
支承表面25是环形形状并且围绕中心空腔26。
[0061]
支承表面25、正外表面28和第二内壁29形成第二肩部24。第二内壁29从支承表面25垂直延伸至正外表面28。正外表面28围绕支承表面25。
[0062]
中心空腔26的底部、支承表面25和正外表面28是居中在共同的轴线上的相互平行的表面，它们从中心空腔26的底部到支承件20的外侧依次设置。
[0063]
支承件20还具有两个突起30，每个突起的长度从支承表面25上的第二内壁29径向延伸。每个突起30具有与第二内壁29相同的高度，并且其长度远小于支承表面25的宽度。
[0064]
背面22具有倾斜表面32，该倾斜表面32使支承件20的顶部部分33的第一厚度e1小于支承件20的底部部分34的第二厚度e2。
[0065]
支承件20的底部部分34具有支承件20的底面35，该底面为平面表面。
[0066]
支承件20的底部部分34还具有位于背面22上的背平面36，并且该背平面36垂直于底面35。底面35与背平面36之间的相交部形成支承件20的背底边缘37。
[0067]
背面22的倾斜表面32从背平面36延伸至支承件20的顶部部分33的顶部外侧壁39。顶部外侧壁39呈现朝向支承件20外侧的倒圆形状。因此，顶部外侧壁39定位成与底面35相对。倾斜表面32的坡度，即倾斜表面32与背平面36之间的角度，位于5
°
到85
°
的范围内，并且有利地在35
°
到55
°
的范围内。
[0068]
槽形孔40形成在支承件20的顶部外侧壁39的中心部分中。该孔40从支承表面25延伸至正外表面28(并因此向外开口)，并且它穿过顶部外侧壁39以通向在支承面25中在两个突起30之间径向延伸的凹槽41。
[0069]
应当观察到的是，支承件20的顶部部分33在顶部外侧壁39以及制造出孔40的中心部分都被挖空。这些空洞具有导致形成支承件20的材料的厚度在支承件20的大部分上基本上相同的效果。当支承件20使用注塑模制技术制造时，这在支承件20的生产期间是特别有利。
[0070]
在该示例中，支承件20由塑料材料制成，例如聚苯硫醚(pps)、聚醚醚酮(peek)、聚苯醚氧化物(ppo)或聚酰胺(pa)。支承件20还可以由金属制成，例如不锈钢、黄铜或青铜。
[0071]
压电电池50安装在支承表面25上。更精确地，压电电池50的背面51的边缘压靠支承表面25。压电电池50为圆盘形状：它具有圆形截面，并且厚度比它的半径小得多。当压电
电池50安装在支承件20上时，压电电池50和中心空腔26同轴。
[0072]
压电电池50的直径略小于支承表面25的外径。压电电池50的直径通常在2mm至50mm的范围内。
[0073]
支承件20包括用于保持压电电池50抵靠支承表面25的保持装置。在该示例中，保持装置包括两个突起30。压电电池50的直径加上突起30的长度之和非常接近支承表面25的外径，使得当压电电池50安装在支承表面25上时，它径向抵靠使其保持静止的突起30。
[0074]
支承件20还包括用于将压电电池50在支承表面25上成角度定位的角度定位装置。在该示例中，角度定位装置包括用于连接于压电电池50的电极的电线52的通道。通道同时包括穿过支承件20的顶部部分33的顶部外侧壁39的孔40以及包括凹槽41。角度定位装置还包括电线52本身。
[0075]
因此，当压电电池50安装在支承件20上时，电线52插入孔40中，并且由于孔40的宽度较小且基本上等于电线52的直径，电线52和孔40用于使压电电池50居中并将其保持在固定的角度位置。电线52的定向以及因此连接部的位置得到良好控制，从而在不同产品之间实现更好的可再现性。
[0076]
当压电电池50安装在支承件20上时，压电电池50的边缘放置在支承表面25上，从而确保测量值随着水压的变化具有非常好的稳定性。
[0077]
此外，当压电电池50安装在支承件20上时，它封闭充满空气的中心空腔26。
[0078]
这个充满空气的中心空腔26允许压电电池50自由振动，并保证在低温(例如等于0℃)与高温(例如等于70℃)之间的声学性能稳定。
[0079]
众所周知，由压电电池50产生的能量的分布符合高斯分布，即大部分能量在压电电池50的中心部分中生成。因此，将压电电池50的边缘放置在支承表面25上不影响压电电池50的性能。
[0080]
参照图10，以下是对包括本发明的支承件20的超声换能器的组装方法的描述。
[0081]
电线52最初通过例如焊接而连接于压电电池50的电极(步骤e1)。此后，将压电电池50安装在支承件20上，其中电线52插入孔40中(步骤e2)。
[0082]
超声换能器60包括具有纵向壳体62的外壳61。
[0083]
壳体62具有底部63以及从壳体62的底部63垂直于底部63延伸的垂直内壁64。在壳体62的垂直内壁64的第一表面上(和/或压电电池50的正面上)施加一滴粘合剂65。然后将压电电池50和支承件20插入壳体62中，使得支承件20的底部部分34的底面35搁置在壳体62的底部63上，并且使得压电电池50的正面压靠壳体62的垂直内壁64(步骤e3)。
[0084]
然后，在支承件的背面22与壳体62的垂直内壁64的第二表面之间将工具68插入壳体62中，该第二表面定位成面向第一表面，工具插入成使得它在倾斜表面32上从支承件20的顶部部分33朝向底部部分34滑动。因此，可以通过顶部部分33与底部部分34之间的厚度差来插入工具68，该差异是由于倾斜表面32造成的。
[0085]
因此，工具68使压电电池50压靠壳体62的垂直内壁64的第一表面，从而生成垂直于支承件20的背面22的倾斜表面32的力f(步骤e4)。
[0086]
有利地，该工具具有其自身的倾斜表面69，其倾斜角度等于或接近支承件20的倾斜表面32的倾斜角度。
[0087]
此后，用树脂70填充超声换能器60的外壳61。用于插入和粘合支承件20的工具68
能够可选地在施加树脂期间(并且因此在施加树脂之后)在超声换能器60的外壳61的内部保持在位(步骤e5)。
[0088]
可以在超声换能器60的壳体62的垂直内壁64的表面上添加凹槽，从而改善树脂在该内壁上的粘合力，该内壁通常由塑料材料制成。这用于提高超声换能器60的密封性及其承受水压的能力。
[0089]
还可以在工具68中包括用于插入和粘合结合支承件的孔，以提高树脂的粘合力。这用于加强位于超声换能器压电电池后部的部分，从而提高其抗冲击性和承受水压的能力。
[0090]
参照图11和图12，下面描述第一超声换能器81和第二超声换能器82结合到超声水表80中的方式。
[0091]
第一超声换能器81和第二超声换能器82连续地充当沿着管道83中的限定长度l的路径传播的超声测量信号su的发射器和接收器。基于这些超声测量信号su估计在超声水表80的管道83中的水流动的速度。
[0092]
第一超声换能器81和第二超声换能器82两者安装成从管道83的内侧壁突出到管道中。
[0093]
在图11中，可以看出，第一超声换能器81和第二超声换能器82都从管道83的内侧壁的顶部部分的相应第一区域和第二区域延伸，但是其它构造将是可能的。举例来说，第一超声换能器81可以从管道83的内侧壁顶部部分的第一区域延伸，并且第二超声换能器可以从管道83的内侧壁底部部分的第二区域延伸。
[0094]
因此，第一超声换能器81的第一壳体84和第二超声换能器82的第二壳体85两者都延伸到管道83的内部。
[0095]
在该示例中，可以看到第一壳体84和第二壳体85垂直定位，这解释了为什么压电电池和支承件的组装垂直式是有利的。因此，第一壳体85的第一纵向轴线y1和第二壳体86的第二纵向轴线y2两者都分别相对于管道83的内侧壁的顶部部分的第一区域或第二区域以等于90
°
的角度倾斜。该角度可能不同，例如它可能在45
°
到90
°
的范围内。
[0096]
在图12中，可以看到第一超声换能器81和第二超声换能器82没有沿着管道83的中心纵向轴线x对准。相反地，可以看到第一超声换能器81和第二超声换能器82定位成使得第一超声换能器81的第一位置在包含管道83的中心纵向轴线的平面的一侧上呈现第一偏移δ1，并且使得第二超声换能器82的第二位置在该平面的另一侧上呈现第二偏移δ2。在该示例中，平面是垂直的平面，但它可以是一个水平的平面，也可以是以任何倾斜角度倾斜的平面。
[0097]
从图12中可以看出，第一超声换能器81的第一压电电池87和第二超声换能器82的第二压电电池88定位成使得它们彼此面对并平行定向，从而优化超声测量信号su的接收。
[0098]
在这一点上可观察到，当流体为水时，压电电池的频率有利地在1兆赫(mhz)到4兆赫的范围内，而当流体是气体时，其频率在100千赫(khz)到500千赫的范围内。在上述应用中，流体为水，并且第一压电电池87和第二压电电池88中的每一个的频率等于2兆赫。
[0099]
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落入由权利要求限定的本发明范围内的任何变型。
[0100]
从上面可以看出，本发明的支承件对于“垂直式”组装是非常有利的，即当压电电
池安装在壳体的内壁上时，该内壁垂直于所述壳体的底部。内壁可能以不同的角度相对于壳体的底部倾斜，例如位于45
°
到90
°
的范围内。
[0101]
压电电池的截面不一定是圆形的，它可能具有一些其它的截面，例如正方形或矩形。
[0102]
保持装置和角度定位装置可以不同于上述装置。完全可以具有既用于保持压电电池又用于将其成角度地定位的共用(公共)的装置。
[0103]
自然地，结合有超声换能器的流体计不一定是水表，而可以是用于不同流体的计量器，例如，煤气表或油表。
[0104]
用于制造支承件的材料自然可以与所提到的材料不同。
[0105]
在所描述的水表中，具有限定长度l的路径是直线路径。然而，可以使用可能包括一个或多个反射器、反射镜等的具有限定的长度的任何类型的路径。