一种可自加热超声换能器

1.本实用新型涉及超声换能器和流体流速检测技术领域，具体地，涉及一种可自加热超声换能器。


背景技术：

2.流量流速监测作为一种定量监控数据，被广泛应用于航空航天、气象科学、海运观测等各个领域。而作为一种新技术，基于超声换能器的超声流量流速检测正在逐步取代原有的机械式测量方法被逐步应用在风速、燃气流量、自来水流速、液体推进剂等流体流速测量场景中。
3.一般地，超声换能器利用压电材料的压电效应产生超声波信号，当超声换能器通过信号发射电路加载电学信号的时候，压电材料的逆压电效应可以产生超声波信号，当超声信号被超声换能器接收到之后，压电材料的压电效应可以将超声信号转换为电学信号。对于流量流速检测，一般常用的是时差法，即采用一对超声换能器，使发射面相对，在两个发射面之间为待测流速的流体介质。其中一个换能器做超声信号发射，另一个换能器做接收，根据接收超声波信号的时间间隔计算流体介质的声速和流速。
4.图5示出了现有的超声换能器。如图5所示，现有常规的超声换能器包括依次层叠设置的压电发声元件1和透声匹配元件3。在电压信号v的一端引线连接压电发声元件1的表面电极，另一端引线连接透声匹配元件3的表面电极，由此激励压电陶瓷元件实现生成超声信号。然而，这种传统的超声流速测量方法仅适用于常温流体测量，对于极端雨雪天气下的风速测量、消融液体流速测量等场合，常规超声换能器会出现表面因为温度降低的原因而结冰或者液体结块，从而影响超声信号的发射，严重时甚至影响整个系统的检测精度，检测系统因为外部载荷的增加而遭到破坏。
5.由此可见，目前尚需一种能够在极低温环境下正常进行流体流速测量的超声换能器。


技术实现要素：

6.实用新型要解决的问题：
7.鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种适用于极低温环境的可自加热超声换能器。
8.解决问题的技术手段：
9.为解决上述问题，本实用新型提供一种可自加热超声换能器，
10.包括压电发声元件、加热元件和透声匹配元件；
11.所述加热元件设置于所述压电发声元件和所述透声匹配元件之间，且在两端面上分别形成有第一表面电极和第二表面电极；
12.所述加热元件上还形成有盲孔，该盲孔以贯穿所述第一表面电极的形式延伸至所述第二表面电极；
13.第一电压信号以一端引线连接所述加热元件的所述第一表面电极，另一端引线通过所述盲孔连接所述第二表面电极的形式激励所述加热元件进行加热；
14.第二电压信号以一端引线连接所述压电发声元件在远离所述加热元件的一侧端面上形成的第三表面电极，另一端引线连接所述加热元件的所述第一表面电极的形式激励所述压电发生元件产生超声信号。
15.根据本实用新型，通过在超声换能器的叠层结构中增加一层加热元件，能利用加热元件通电升温的特性提高器件在极低温环境下的工作性能，达到超声换能器声发射面的除冰和消融效果。
16.也可以是，本实用新型中，所述加热元件的厚度为四分之一波长或小于二十分之一波长。当厚度设置为小于二十分之一波长时，加热元件仅发挥加热功能。当厚度设置为四分之一波长时，加热元件能兼顾声透射匹配和加热功能。由此能改善超声信号的透声效果。
17.也可以是，本实用新型中，所述加热元件由功能陶瓷材料构成。
18.也可以是，本实用新型中，所述压电发声元件由压电陶瓷材料、压电单晶材料或压电复合材料构成。
19.也可以是，本实用新型中，所述第一电压信号和所述第二电压信号共用一根引线，该引线连接所述加热元件的所述第一表面电极。由此可以简化可自加热超声换能器的电路设置。
20.实用新型效果：
21.本实用新型结构简单，在极低温环境下具有良好的检测性能，能广泛应用于极端天气下的流体流速检测。
附图说明
22.图1是根据本实用新型一实施形态的可自加热超声换能器的结构示意图；
23.图2是图1所示可自加热超声换能器中的加热元件的结构示意图；
24.图3是图2所示加热元件的电路连接示意图；
25.图4是可自加热超声换能器的电路连接示意图；
26.图5是现有超声换能器的结构示意图；
27.符号说明：
28.100、可自加热超声换能器；
29.1、压电发声元件；
30.2、加热元件；
31.3、透声匹配元件；
32.10、盲孔；
33.11、第一表面电极；
34.12、第二表面电极；
35.13、第三表面电极。
具体实施方式
36.以下结合附图和下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，附图和下述实施
方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。
37.在此公开一种适用于极低温环境的可自加热超声换能器，该可自加热超声换能器能够通过自行加热对发射面进行除冰和消融，使换能器在低温下也能达到需要的工作温度。
38.图1是根据本实用新型一实施形态的可自加热超声换能器的结构示意图，图2是本实用新型另一实施形态的可自加热超声换能器的结构示意图。在此，定义“上”、“下”为图1中纸面的“左”、“右”方向。需要说明的是，本实用新型的描述中方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
39.图1是可自加热超声换能器100的结构示意图。如图1所示，可自加热超声换能器100包括压电发声元件1、加热元件2和透声匹配元件3。
40.压电发声元件1主要用于在加载电学信号时通过逆压电效应产生超声波信号，并在收到超声波回波或是来自其他压电换能器的超声波信号时通过正压电效应将超声波信号转换为电学信号。本实用新型中，压电发声元件1可以是由压电陶瓷材料、压电单晶材料、压电复合材料等构成的压电片。在压电发声元件1的一侧设置有透声匹配元件3。
41.透声匹配元件3主要用于在透过超声波的同时避免由于压电材料和外部声传输介质之间阻抗失配而引起换能器效率的降低，透声匹配元件3的厚度可以是波长的四分之一。
42.为了使超声换能器能在极端风雪天气等低温环境下进行风速测量、消融液体流速测量等，在上述压电发声元件1和透声匹配元件3之间还设置有用于对超声换能器进行加热的加热元件2。
43.图2是加热元件2的结构示意图。如图2所示，该加热元件2是带有盲孔10的加热片，通过电压驱动实现加热。具体地，加热元件2形成为大致薄片状，两端面上蒸镀有表面电极、即第一表面电极11和第二表面电极12，上述盲孔10如后述图3所示以贯穿加热元件2的第一表面电极11的形式从该第一表面电极11延伸至另一侧的第二表面电极12。本实施形态中，加热元件2可以由在给定电学信号时对换能器进行加热以产生稳定工作温度的功能陶瓷材料构成。
44.图3是加热元件2的电路连接示意图。加热元件2的电压驱动方式如图3所示，第一电压信号v1的一端引线连接加热元件2一侧的第一表面电极11，另一端引线通过盲孔10连接加热元件2 另一侧的第二表面电极12，由此实现电驱动下的加热功能。
45.图4是可自加热超声换能器100的电路连接示意图。如图4所示，压电发声元件1、加热元件2和透声匹配元件3依次层叠设置，在加热元件2上如上所述通过导线连接有第一电压信号v1，在压电发声元件1上通过引线连接有第二电压信号v2。更具体地，压电发声元件1远离加热元件2、即不与加热元件2接触的一侧表面上形成有第三表面电极13。第二电压信号v2的一端导线是与上述第一电压信号v1共用的地线，连接至加热元件2的第一表面电极11，第二电压信号v2的另一端导线连接压电发声元件1的第三表面电极13，由此能够简化可自加热超声换能器的电路连接方式。可自加热超声换能器100通过加热元件2的引入，通过第一电压信号v1电压信号激励加热元件2升温，实现换能器表面加热除冰功能，通过第二电压信号v2电压信号激励压电陶瓷元件实现超声信号的生成。
46.本实用新型中，加热元件2如上所述设置于透声匹配元件1和压电发声元件1之间，在第一电压信号v1的激励下发挥加热功能，当加热元件2仅实现加热功能时，其厚度可以设置为满足小于等于二十分之一波长。而为了实现由发声压电材料产生的超声波信号大效率通过加热元件和透声匹配元件，加热元件2也可以设计为具有透声功能。当加热元件2兼顾透声功能和加热功能时，其厚度为四分之一波长，由此能改善超声信号的透声效果。
47.此外，可自加热超声换能器100的背衬吸声层是位于压电发声元件1外侧的空气层，但不限于此，背衬吸声层也可由橡胶、多孔材料等高衰减声学材料构成。
48.根据本实用新型，通过在超声换能器的叠层结构中增加一层加热元件，利用加热元件通电升温的特性，提高器件在极低温环境下的升温使用能力，达到超声换能器声发射面的除冰和消融效果。这种超声换能器能避免换能器的表面因为温度降低而结冰或者液体结块，从而在低温环境下也具有良好的检测精度。
49.以上的具体实施方式对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本实用新型的一种具体实施方式而已，并不限于本实用新型的保护范围，在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本实用新型的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。