超声波传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种输出差分信号的超声波传感器。

背景技术：

高压电力设备内部，特别是气体绝缘组合电器设备(gasinsulatedswitchgear，gis)存在绝缘缺陷，会导致局部放电。局部放电伴随着光、声、热等信号，可以通过多种方法进行检测。其中，以检测局部放电发出的声信号的超声波法在电力设备的局部放电检测中发挥着巨大的作用。然而，电力设备局部放电产生的超声波信号微弱；而且在电力设备内部传播时，存在极大的衰减的问题；再则，现场检测室外部环境会存在大量的低频信号干扰。因此，用于局部放电检测的超声波传感器要求灵敏度高、抗干扰能力强。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。其核心是塑料或金属外壳中的一块压电晶片。交流电信号的激励可以使压电晶片产生同频率的机械振动，从而发射出超声波；或者是压电晶片在一定频率的超声波振动下产生相应频率的电信号，从而作为超声波的接收器。

目前，超声波传感器被用于多个领域，如超声波测距、探伤、流量测定。在不同领域，传感器的压电晶片的频率选择以及传感器尺寸结构上千差万别。而在局部放电检测领域，现有的超声波传感器多采用增加压电晶片厚度的方法来提高其灵敏度，其抗干扰主要通过金属外壳屏蔽来实现。这种技术方案导致现有的传感器的体积和重量都较大，而且抗干扰能力不足。传感器太重导致现场使用中不能方便安装在电力设备表面，抗干扰能力差导致背景噪声高，使传感器的灵敏度达不到要求。如图1所示，是现有技术中用于局部放电检测的超声波传感器的结构示意图，其包括壳体11和一块很厚的压电晶片12，传感器由壳体11的底面接收信号，压电晶片12的两极分别作为接地信号和传感器接收信号输出，其信号输出为单端信号。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种超声波传感器，可以用于gis局部放电测试，以解决现有超声波传感器灵敏度不足、抗干扰能力弱、使用不方便的问题。

基于上述目的，本发明提供的超声波传感器包括壳体和位于所述壳体内的传感器组件，其中，所述传感器组件包括从下到上依次安装的第二压电晶片、第二电极片、绝缘片、第一电极片和第一压电晶片。

在本发明的一些实施例中，所述第一压电晶片和第二压电晶片的正负极方向相同。

在本发明的一些实施例中，所述第二压电晶片与第二电极片之间通过导电银胶粘接，所述第一电极片与第一压电晶片通过导电银胶粘接。

在本发明的一些实施例中，所述超声波传感器还包括位于壳体内的底座和上盖，所述底座位于第二压电晶片的下方，所述上盖位于第一压电晶片的上方，从而通过底座和上盖将所述传感器组件设置在底座和上盖之间。

在本发明的一些实施例中，所述底座和上盖的厚度相同，并且质量也相同；和/或，

所述底座的材料密度大于上盖的材料密度。

在本发明的一些实施例中，所述超声波组件还包括紧固螺栓，所述传感器组件中的各个部件的中心均开设有通孔，所述紧固螺栓依次穿过上盖、超声波组件中各个部件的通孔，并最终固定在底座上。

在本发明的一些实施例中，所述底座朝向第二压电晶片的表面凸起形成圆台，该圆台的直径与压电晶片、绝缘片、电极片以及上盖的直径均相同。

在本发明的一些实施例中，所述压电晶片，电极片和绝缘片均为圆环状，并且其外径均相同。

在本发明的一些实施例中，所述压电晶片的谐振频率为30-50khz；和/或，所述压电晶片的外径为10-16mm；和/或，所述压电晶片的厚度为2-5mm。

在本发明的一些实施例中，所述超声波传感器还包括差分信号输出接头，所述第一电极片和第二电极片分别通过导线与差分信号输出接头的两路差分信号连接。

从上面所述可以看出，与现有技术相比，本发明提供的超声波传感器将两片压电晶片输出的信号作为差分信号的两个信号源，使传感器获得的信号幅值加倍，大大提高传感器的灵敏度，而且差分信号对于干扰信号的滤除，使其抗干扰能力也得到了同步提高。而且，本发明提供的超声波传感器的最大高度也只有近20mm，尺寸明显减小了，小尺寸传感器使其在测试现场的安装使用更加便捷。

附图说明

图1为现有技术中用于局部放电检测的超声波传感器的结构示意图；

图2为本发明一个实施例超声波传感器的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例超声波传感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

如图2所示，其为本发明一个实施例超声波传感器的结构示意图。作为本发明的一个实施例，所述超声波传感器包括壳体1和位于所述壳体1内的传感器组件，其中，所述传感器组件包括从下到上依次安装的第二压电晶片6、第二电极片5、绝缘片4、第一电极片3和第一压电晶片2，可见，本发明提供的超声波传感器将两片压电晶片输出的信号作为差分信号的两个信号源，使传感器获得的信号幅值加倍，大大提高传感器的灵敏度，而且差分信号对于干扰信号的滤除，使其抗干扰能力也得到了同步提高。在本实施例中，传感器为了获得最佳的信号，要求两片压电晶片获得的电压信号幅值相等，相位相反，因此，两片压电晶片的放置正负极方向最好保持相同。作为本发明的一个实施例，所述第一压电晶片2和第二压电晶片6均为正极向上或者均为负极向上。所述传感器组件的两路差分信号分别从两片电极片引出，两片压电晶片的背离彼此的两个面共同作为差分信号输出的零电位。

作为本发明的又一个实施例，单片压电晶片的厚度小于5mm，远低于现有超声波传感器中近30mm的压电晶片厚度，即使加上其他部件(例如绝缘片、电极片等)，超声波组件的厚度也不超过15mm，因此，本发明提供的超声波传感器的最大高度也只有近20mm。可见，本发明提供的超声波传感器的尺寸明显减小了，小尺寸传感器使其在测试现场的安装使用更加便捷。

作为本发明的又一个实施例，所述第二压电晶片6与第二电极片5之间通过导电银胶粘接，所述第一电极片3与第一压电晶片2通过导电银胶粘接。以保证各个部件之间的牢固连接，稳定地输出差分信号。可选地，所述绝缘片4的两个表面也通过导电银胶分别与第二电极片5、第一电极片3粘接，以提高传感器组件的连接牢固性。

在本发明的另一个实施例中，所述超声波传感器还包括位于壳体1内的底座7和上盖8，所述底座7位于第二压电晶片6的下方，所述上盖8位于第一压电晶片2的上方，从而通过底座7和上盖8将所述传感器组件设置在底座7和上盖8之间，两片压电晶片的朝向底座和上盖的两个面共同作为差分信号输出的零电位。作为本发明的另一个实施例，所述第二压电晶片6、第二电极片5、绝缘片4、第一电极片3和第一压电晶片2的均为圆形，并且各个部件的直径均相同，这样可以保证从底座7传来的振动在两片压电晶片上分布均匀，从而使两片压电晶片将此振动转化为的电压信号幅值相同，信号的波形也相同。优选地，所述绝缘片4可以为硬质弹性形变小的的材料，例如陶瓷。

为获得最佳的传感器性能(主要为灵敏度)，要求两片压电晶片不仅结构上要求对称，而且在力学特征上也对称，因此底座7和上盖8的厚度相同，并且质量也相同，这样传感器在各种安装状态下，均能保证两路差分信号输出值满足幅值相等，相位相反的要求。优选地，所述底座7的材料密度远大于上盖8的材料密度。例如，所述底座7可以选用密度较低的材料，例如铝、不锈钢等，上盖8可以选用密度较高的材料，例如碳钨钢。优选地，所述上盖8、底座7与传感器组件之间也可以通过导电银胶，以提高上盖、底座与传感器组件之间的安装牢固性，从而保证输出差分信号。

可选地，所述超声波组件还包括紧固螺栓9，所述传感器组件中的各个部件的中心均开设有通孔，所有部件上下对齐，所述紧固螺栓9依次穿过上盖8、超声波组件中各个部件(第一压电晶片2、第一电极片3、绝缘片4、第二电极片5和第二压电晶片6)的通孔，并最终固定在底座7上，从而将超声波组件牢固地固定在底座7和上盖8之间。为了保证传感器组件整体的几何和力学上的均衡，保证两片压电晶片接收到的振动信号的幅度和波形一致，这样才能保证该传感器输出的差分信号幅值相同，相位相反。优选地，所述各个部件的通孔位于同一直线上。优选地，所述各个部件的通孔位于底座7的中心的垂直线上。因此，所述紧固螺栓9可以将传感器组件中的各个部件串在一起并紧密连接。

优选地，所述压电晶片6、2，电极片5、3和绝缘片4均为圆环状，并且其外径与上盖8均相同。优选地，所述压电晶片6、2的谐振频率为30-50khz，其外径为10-16mm，内径4-8mm，厚度2-5mm。作为本发明的又一个实施例，所述壳体1为不锈钢材质，外形为圆柱形。优选地，所述壳体直径为18-22mm，高度为18-20mm。

作为本发明的又一个实施例中，所述超声波传感器还包括差分信号输出接头10，所述第一电极片3和第二电极片5分别通过导线与差分信号输出接头10的两路差分信号连接，所述差分信号输出接头10的接地端与底座7连接。本发明提供的超声波传感器通过差分信号输出接头10输出信号为差分信号。优选地，所述差分信号输出接头10为双芯bnc接头。

如图3所示，其为本发明另一个实施例超声波传感器的结构示意图。作为本发明的另一个实施例，所述底座7朝向第二压电晶片6的表面凸起形成圆台，该圆台的直径与压电晶片2和6、绝缘片4、电极片3和5以及上盖8的直径均相同。即所述底座7为具有中心凸台的圆片，优选地，整个底座7的厚度与上盖8相同，这样可以保证底座7传给压电晶片的振动集中到与压电晶片等面积的圆台上，那么两个晶片所接收到的振动力也会比较一致。

表1为本发明最佳实施例(如图3所示的传感器)与传感器组件对称性差的实施例传感器性能的比较。对比实施例1中上盖厚度和质量远小于底座，对比实施例2中安装底座没有中心凸台。

测试时，以rigoldg4162型信号发生器输出不同频率和幅值的脉冲信号，脉冲信号上升沿均设为100纳秒，由标准超声波传感器将信号转为超声波信号，按照本发明的最佳实施例以及上述对比实施例1和2的传感器直接与标准传感器对接，测试的传感器信号经过差分超声放大器放大60db，信号用rigolds6104型示波器进行分析。对比频率为20khz，40khz，60khz，100khz，200khz，信号幅值为2mv，5mv，10mv，20mv激励源3种实施例传感器的性能，表中的数据为5个不同频率下传感器获取信号的平均值。

表1不同实施例传感器的性能指标(单位：mv)

可见在最佳实施例中，传感器的灵敏度最高，在2mv激励源下放大60db后能获得幅值达到49.6mv，而传感器组件各部分不对称条件下(对比实施例1和对比实施例2)，传感器在2mv信号源下，示波器检测不到信号。

如表2所示，在本发明实施例中(两片薄片压电晶片，2mm/片)，与单片薄片压电晶片(2mm)的传感器和现有的厚片压电晶片(28mm)传感器相比，传感器频率响应更加均衡，信号灵敏度也高。

表2不同实施例传感器的性能指标(单位：mv)

由此可见，与现有技术相比，本发明提供的超声波传感器将两片压电晶片输出的信号作为差分信号的两个信号源，使传感器获得的信号幅值加倍，大大提高传感器的灵敏度，而且差分信号对于干扰信号的滤除，使其抗干扰能力也得到了同步提高。而且，本发明提供的超声波传感器的最大高度也只有近20mm，尺寸明显减小了，小尺寸传感器使其在测试现场的安装使用更加便捷。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。