提高超声波传感器灵敏度和分辨力的梯度匹配结构的制作方法

1.本发明涉及超声波传感器技术领域，更具体的是涉及超声波传感器的声匹配结构技术领域。


背景技术：

2.超声波传感器由声学匹配、背衬和压电材料三个主要部件组成。一般超声波传感器，在超声频率范围内，能够实现电信号-声信号转换或声信号-电信号转换，即实现超声波的发射和接收。
3.专利文献，日本专利特开平10-123236号公报公开了在缓冲器背面设有凹坑(凹部)，利用产生超声波的陶瓷8、金属基底9及按压盖板27或按压板簧34，将陶瓷8的未与金属基底9相接的一侧表面(以下称作陶瓷表面)按压到缓冲器背侧的凹面中。该专利由于缓冲器背面和陶瓷表面的接触状态不均匀，会产生空气层，导致声能流无法有效传递，影响了超声波传感器的性能。
4.此外，现有的超声波受超声波探测介质与压电材料的声阻抗失配，导致声能流无法有效传递，影响了超声波传感器的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决上述超声波受超声波探测介质与压电材料的声阻抗失配的技术问题，本发明提供提高超声波传感器灵敏度和分辨力的梯度匹配结构。
6.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.提高超声波传感器灵敏度和分辨力的梯度匹配结构，包括支撑壳体，所述支撑壳体的下部设置有匹配层，所述匹配层与所述支撑壳体之间通过粘胶层连接，所述匹配层的材料为组分a，组分b，玻璃微珠，气相白炭黑和疏水剂；组分a包括环氧氯丙烷与双酚a或多元醇的缩聚产物，乙二醇环氧树脂或双环戊二烯环氧树脂；组分b包括碳酸二甲酯，乙二醇酯或甘油酯。
8.组分a具体为酚醛环氧树脂，甘油环氧树脂或缩水甘油胺环氧树脂。
9.组分b作为组分a的固化剂，专门针对组分a而适,组分a只有与组分b按本技术的比例混合，真空除气搅拌，才能由液态转变为粘稠状态，固化后可以形成致密的固体结构即匹配层，也可以机械加工成型。
10.本技术的技术方案中，利用复合材料制备匹配层，加上支撑壳体作为支撑，两个之间通过粘胶层连接，形成双层结构的梯度匹配结构，该匹配层具有耐高温、耐浸泡及耐污特性。因超声波从单层结构的匹配层直接透射到到天燃气环境中，超声波的带宽太窄，透过效率也较低，大部分超声波被反射回去了，根据透射率的计算公式，更多层的匹配层意味着在有限的匹配厚度里匹配层阻抗的变化更加连续，其理论透过率也越接近100％，同时也要从实际出发，匹配层层数增加，匹配层厚度也会相应增加，但是不能无限增加，所以本发明选择的是双层具有阻抗梯度变化的匹配层作为匹配层，该双层结构的梯度匹配结构使声学匹
配更加连续，使透射率增加，并能解决不同抗阻匹配材料之间的超声波反射问题。此外，本技术通过匹配层的设置，可以通过匹配层中材料的质量比，确定合适的谐振中心频率，并配合双层结构的梯度匹配结构，可以提高超声波在气体介质中的声阻抗。
11.本技术通过改变匹配层中各种材料的质量比，多次重复试验，测得相同参数所得的灵敏度取平均值，得到数据曲线，与支撑壳体测得灵敏度曲线进行参数拟合处理，得到最优参数，优化了匹配层的配方。
12.本技术除了匹配层a采用组分a，组分b，玻璃微珠，气相白炭黑和疏水剂的组合外，还将金属支撑壳体也作为作为匹配层b，与匹配层a合并成具有梯度变化的复合匹配层结构，并且通过匹配层a的材料配比，匹配层b的材料选择、厚度及结构的设置，找了本技术最佳的复合匹配层结构(即双层结构的梯度匹配结构)。
13.对于双层结构的梯度匹配结构中匹配层的厚度确认，则待加装上压电陶瓷后，利用阻抗分析仪测试整体的电导曲线，再对匹配层采用逐渐磨除的办法，观察电导曲线变化，最终测得最优的厚度h，确定匹配层的加工厚度尺寸，如果匹配层a厚度磨至极限，则需要重新调整匹配层a的配方(组分a，组分b，玻璃微珠，气相白炭黑和疏水剂)，重新测试。
14.进一步的，所述匹配层的厚度为0.8mm～2.0mm。
15.进一步的，所述匹配层的外侧设置有防污隔水层，所述防污隔水层的材料为六甲基二硅烷或金属膜。
16.进一步的，所述支撑壳体的材料为厚度均匀的金属箔片。
17.进一步的，所述匹配层的材料，按重量份数计，组分a 60-100份，组分b10-40份，玻璃微珠10-50份，气相白炭黑10-40份，疏水剂2-8份。
18.优选的，所述匹配层的材料，按重量份数计，组分a 80份，组分b 20份，玻璃微珠10份，气相白炭黑30份，疏水剂5份。
19.进一步的，疏水剂为氟化处理剂。
20.进一步的，玻璃微珠的密度为0.15-0.60g/cm3。
21.本发明的有益效果如下：
22.1.疏水剂增加了匹配层暴露于腐蚀性、高温气体中的耐候性；
23.2.本发明选择的是双层具有阻抗梯度变化的匹配层作为匹配层，该双层结构的梯度匹配结构使声学匹配更加连续，使透射率增加，并能解决不同抗阻匹配材料之间的超声波反射问题；
24.3.通过匹配层的设置，可以通过匹配层中材料的质量比，确定合适的谐振中心频率，并配合双层结构的梯度匹配结构，可以提高超声波在气体介质中的声阻抗；
25.4.本技术应用于家用天燃气环境的超声波传感器中，金属箔片加上匹配层结构，其声阻抗介于压电陶瓷与天燃气之间，且具有阶梯变化的趋势，提升了超声波传感器向天燃气中发射和接收声波的效率，同时由于有金属箔片做支撑，耐压能力达到1.5mpa。
附图说明
26.图1是本发明提高超声波传感器灵敏度和分辨力的梯度匹配结构的示意图。
27.附图标记：1-匹配层，2-支撑壳体，3-粘胶层，4-防污隔水层。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.如图1所示，本实施例提供提高超声波传感器灵敏度和分辨力的梯度匹配结构，包括支撑壳体2，所述支撑壳体2的下部设置有匹配层1，所述匹配层1与所述支撑壳体2之间通过粘胶层3连接；所述匹配层1的材料为组分a，组分b，玻璃微珠，气相白炭黑和疏水剂；组分a包括环氧氯丙烷与双酚a或多元醇的缩聚产物，乙二醇环氧树脂或双环戊二烯环氧树脂；组分b包括碳酸二甲酯，乙二醇酯或甘油酯；所述匹配层1的厚度为1.6mm；所述匹配层1的外侧设置有防污隔水层4，所述防污隔水层4的材料为六甲基二硅烷或金属膜；所述支撑壳体2的材料为厚度均匀的金属箔片；疏水剂为氟化处理剂；玻璃微珠的密度为0.4g/cm3。
32.本实施例中，利用复合材料制备匹配层1，加上支撑壳体2作为支撑，两个之间通过粘胶层3连接，形成双层结构的梯度匹配结构，该匹配层1具有耐高温、耐浸泡及耐污特性。因超声波从单层结构的匹配层1直接透射到到天燃气环境中，超声波的带宽太窄，透过效率也较低，大部分超声波被反射回去了，根据透射率的计算公式，更多层的匹配层1意味着在有限的匹配厚度里匹配层1阻抗的变化更加连续，其理论透过率也越接近100％，同时也要从实际出发，匹配层1层数增加，匹配层1厚度也会相应增加，但是不能无限增加，所以本发明选择的是双层具有阻抗梯度变化的匹配层1作为匹配层1，该双层结构的梯度匹配结构使声学匹配更加连续，使透射率增加，并能解决不同抗阻匹配材料之间的超声波反射问题。此外，本技术通过匹配层1的设置，可以通过匹配层1中材料的质量比，确定合适的谐振中心频率，并配合双层结构的梯度匹配结构，可以提高超声波在气体介质中的声阻抗。
33.实施例2
34.基于实施例1，所述匹配层1的材料，按重量份数计，组分a 60份，组分b 10份，玻璃微珠10份，气相白炭黑10份，疏水剂2份；其中组分a为酚醛环氧树脂；组分b为碳酸二甲酯。
35.实施例3
36.基于实施例1，所述匹配层1的材料，按重量份数计，组分a 80份，组分b 20份，玻璃微珠10份，气相白炭黑30份，疏水剂5份；其中组分a为双环戊二烯环氧树脂；组分b为乙二醇酯。
37.实施例4
38.基于实施例1，所述匹配层1的材料，按重量份数计，组分a 100份，组分b 40份，玻璃微珠50份，气相白炭黑40份，疏水剂8份；其中组分a为缩水甘油胺环氧树脂；组分b为碳酸二甲酯。
39.本技术中，所述匹配层1的厚度还可以选择0.8mm，1mm，1.8mm或2mm。
40.玻璃微珠的密度还可以选择0.15g/cm3，0.3g/cm3，0.5g/cm3或0.6g/cm3。