专利名称：高精度超声波传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，尤其是一种高精度超声波传感器，属于超声波传感器的技术领域。
背景技术：
超声波传感器通常由金属外壳和粘接在金属壳内的压电陶瓷片组成，交流信号的激励可以使压电陶瓷片产生同频率的机械振动，从而发射出超声波；或者压电陶瓷在一定频率的外部机械振动下产生相应频率的电信号，从而作为超声波的接收器。用于液体流速测量的超声波传感器需要较高的精度，由于超声波频率越高， 那么测量精度也越高，所以就要求该应用中的超声波传感器具有较高的谐振频率(如 500ΚΗζ-1ΜΗζ)。在液体环境中，由于液体是导体，电磁干扰很容易通过液体环境影响超声波传感器的接收信号，尤其当超声波传感器的接收信号被放大IO4以后，干扰信号将严重影响测量信号的提取，从而影响测量。图1为现有超声波传感器的结构示意图，其中，1表示压电陶瓷片，2为金属壳，3为声音衰减体，4为固定支撑环，5为第一连接线，6为第一引线端， 7为线缆。按照图1中将压电陶瓷的第一引线端6连接在金属壳2上的方法，由于金属外壳 2也被作为传感器的电极，这样电极面积越大，受到的电磁干扰也越大。所以用这种方法制作的超声波传感器(图1)不适于液体中进行高精度的流速测量。超声波在材料中传输时，不同的材料会对超声波表现出不同的阻抗(声阻)，例如用于产生超声波振动的压电陶瓷片的声阻大约为30X 106，水的声阻大约为1.4X106， 由于两者的差别较大，那么声波在抵达两者的接触面时会产生较大的反射，这样声波能量就会大大衰减。所以超声波传感器中通常在压电陶瓷片与接触媒质间加入声音匹配层，从而减少接触面的反射。对于应用于液体中的超声波传感器，声音匹配层的声阻应该大约为 6.48X 106。同时当匹配层的厚度等于超声波在匹配层材料中传输波长的四分之一时，会再次减小声波能量的衰减。对于普通的用于液体流速测量的超声波传感器，其声音匹配层多采用将中空的玻璃球热压缩，使融化的材料起泡沫的制作方法。此方法在制作声音匹配层时，工艺复杂，而且生产过程很难控制，不同的生产条件会对匹配层的特性产生很大的影响，从而影响整个装置的测量精度。除此以外，此方法制作的声音匹配层如果暴漏在液体中，会很容易被化学活性物质所腐蚀，从而影响传感器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高精度超声传感器，其结构简单紧凑，安装使用方便，测量精度高，使用寿命长，使用成本低，适用范围广，安全可靠。按照本发明提供的技术方案，所述高精度超声波传感器，包括壳体及线缆，所述线缆包括第一连接线及第二连接线；所述壳体内的一端端部设有声音匹配层，所述声音匹配层上设有对应配合的压电陶瓷片；声音匹配层与第二连接线电连接，压电陶瓷片与第一连接线电连接；压电陶瓷片、第一连接线、声音匹配层及第二连接线通过声音衰减体压紧安装于壳体内。所述声音匹配层包括介质板及位于介质板上的连接电极。所述连接电极呈开口圆环状，且连接电极的开口端形成第一开口端及第二开口端。所述壳体采用金属或塑料制成。所述壳体对应于设置声音匹配层的另一端设有支撑定位环，所述支撑定位环套在壳体上。所述声音衰减体采用发泡性树脂、聚氨基甲酸酯与钨粉形成的混合粉末或聚氨基甲酸酯与氧化铝粉末形成的混合粉末。所述声音衰减体通过将聚氨基甲酸酯与钨粉以体积比为3 1的比例混合制成或通过将聚氨基甲酸酯与氧化铝以体积比为11的比例混合制成。所述介质板的声阻为6. 4X 106Kg/m2S。所述压电陶瓷片上设有电连接的第一引线端，声音匹配层上设有电连接的第二引线端；第一连接线通过第一引线端与压电陶瓷片电连接，第二连接线通过第二引线端与声音匹配层电连接。所述连接电极采用铜制成，连接电极的厚度为35 μ m或70 μ m。本发明的优点壳体内设有声音匹配层，所述声音匹配层上设有对应配合的压电陶瓷片；压电陶瓷片的上表面设置第一引线端并作为传感器的一个电极，通过在声音匹配层上设置第二引线端并作为传感器的另一电极；压电陶瓷片与声音匹配层通过高强度粘胶连接在一起，并通过声音衰减体安装固定在壳体内。本发明电极连接结构，避免了与较大面积的金属外壳相连，从而减小液体中复杂的电磁环境对超声波传感器信号的影响；声音匹配层直接采用已商业化的陶瓷类材料TMM4，具有极高的抗液体离子腐蚀的特性，而且采用材料的声阻与计算值相匹配，并避免了传统式声音匹配层的复杂的制作过程。采用树脂性材料与钨粉或者氧化铝粉的混合材料制作声音衰减体，增加了超声波传感器的发射波带宽，从而增加了测量的精度；结构简单紧凑，安装使用方便，测量精度高，使用寿命长，使用成本低，适用范围广，安全可靠。
图1为现有超声波传感器的结构示意图。图2为本发明的结构示意图。图3为图4的俯视图。图4为本发明声音匹配层的结构示意图。图5为本发明声音匹配层与压电陶瓷片连接的示意图。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图2 图5所示本发明包括压电陶瓷片1、声音衰减体3、支撑定位环4、第一连接线5、第一引线端6、线缆7、壳体8、第二引线端9、声音匹配层10、连接电极11、介质板12、第一开口端13、第二开口端14、陶瓷片上表面15及第二连接线16。如图2所示所述壳体8呈圆筒状结构，壳体8内的两端相连通。壳体8内设有声音匹配层10，所述声音匹配层10上设有压电陶瓷片1，所述压电陶瓷片1与声音匹配层10 电连接并对应配合，压电陶瓷片1与声音匹配层10对应配合后能够得到超声波传感器的工作频率，本发明超声波传感器的频率为500KHZ。为了形成超声波传感器的两个电极，压电陶瓷片1的陶瓷片上表面15上设有第一引线端6，压电陶瓷片1通过第一引线端6与第一连接线5电连接；同时，声音匹配层10上设有第二引线端9，声音匹配层10通过第二引线端9 与第二连接线16电连接。其中，第一连接线5与第二连接线16均为线缆7内的两个连接导线。第一连接线5通过超声波焊接工艺与第一引线端6固定连接，第二连接线16通过锡焊工艺与第二引线端9固定连接。为了将声音匹配层10与压电陶瓷片1安装于壳体8内，所述壳体8内灌注有声音衰减体3，声音匹配层10与压电陶瓷片1通过声音衰减体1压紧安装于壳体8内。壳体8 可以由金属或塑料制成，声音匹配层10及压电陶瓷片1的轴线与壳体8的轴线位于同一直线上，且声音匹配层10的端部与壳体8的端部处于同一水平面上。壳体8对应于设置声音匹配层10的另一端端部设有支撑定位环4，所述支撑定位环4套在壳体8上，并与壳体8相对应配合。支撑定位环4的端部覆盖壳体8的开口，形成超声波传感器相应的底部结构。如图3、图4和图5所示所述声音匹配层10包括介质板12及位于所述介质板12 上的连接电极11，所述介质板12呈圆盘状，连接电极11呈开口圆环状，连接电极11的开口形成第一开口端13及第二开口端14。连接电极11采用铜制成，连接电极11与介质板12 电连接。具体地，压电陶瓷片1采用了半导体工艺制程中的溅射技术，溅射上一层导体材料OVg或Au)。这种带有导体薄膜的压电陶瓷片1可以直接在市场中采购到。介质板12为带有印刷电路的陶瓷片，所述带有印刷电路板的陶瓷片采用了美国罗杰斯公司的TMM热固性微波介质板(Thermoset Microwave Materials)，介质板12上可以直接进行敷铜处理，类似于标准的PCB基板工艺，从而可以在介质板12上制作各种结构的铜走线，通过铜走线形成连接电极11 ；铜走线的厚度采用标准PCB制程中的0. 035mm或者0. 07mm。介质板12的声阻为6. 4X106Kg/m2s,因此可以采用对罗杰斯公司的TMM4的材料制成，同时声波在TMM4 中的传播速率(25°C )约为3040m/s，这样对于500KHz的谐振频率，介质板12材料中的超声波长约为6mm，那么当TMM4材料厚度为1. 5mm时，就可以最大幅度的减小声波的衰减，并被应用在这种超声波传感器(谐振频率为500KHz)中。对于其他谐振频率的超声波传感器同样可以依照此法得到合适的介质板12厚度。压电陶瓷片1与介质板12设置连接电极11的表面通过化学粘胶粘接在一起，由于连接电极11具有一定的厚度(厚度为35 μ m或70 μ m)，那么化学粘胶就可以处在铜走线之间，起到粘接的作用。涂抹粘胶时，应避免粘胶遮盖连接电极11的表面，以防粘接时压电陶瓷片1与介质板12的不可靠电气连接。图3和图4中为连接电极11的形状结构，多余的化学粘胶可以从相应的第一开口端13及第二开口端14流出，这样就可以保证粘胶在粘接时，不阻碍压电陶瓷片1与连接电极11间的电气连接。声音衰减体3可以采用发泡性树脂，发泡性树脂被填充在壳体8内，用来对压电陶瓷片1产生的向后以及向侧面发出的超声波进行吸收抑制。所述声音衰减体3还可以将一种树脂性材料(Polyurethane)与钨粉或者氧化铝粉按照相应的比例进行混合，具体地，将 PU(PolyUrethane，聚氨基甲酸酯)与钨粉或氧化铝粉末混合。当PU与钨粉混合时，PU与钨粉的体积比为1 1 ；当PU与氧化铝粉末混合时，PU与氧化铝粉末的体积比为3 1 ； 粉末颗粒的大小取决于所选择的超声波在该树脂性材料(Polyurethane)中的波长(约 0. 003m)，一般颗粒直径要小于该波长的十分之一(约300 μ m)，而且颗粒直径越小，效果也越好。如图2 图5所示加工时，先将铜制的连接电极11敷设于介质板12上，并在连接电极11上设置第二引线端9，形成压电陶瓷片1的一个电极。然后在压电陶瓷片1的陶瓷片上表面23上设置第一引线端6，形成另一电极。第一引线端6与第一连接线5通过超声波焊接，第二连接线16通过普通锡焊与第二引线端9固定连接。压电陶瓷片1通过粘结胶固定安装于介质板12上，压电陶瓷片1并与介质板12及连接电极11对应配合。上述连接后，将介质板12放置于壳体8内，保证介质板12的未焊接一面与壳体8底端横截面平行， 并采用校准仪器，保证壳体底端横截面圆与介质板12截面圆同心。在保证上述校准后，即可从壳体8上端开口处灌注声音衰减材料，从而在壳体8内形成声音衰减体3。为避免灌注时气泡掺杂进衰减材料内，灌注工艺需在真空手套箱内操作。灌注的衰减材料将会包裹整个介质板的粘贴及焊接部分，仅留出介质板的下表面作为超声波的发射端口。这样衰减材料将有效的减小压电陶瓷片1、介质板12四周以及发射端口后方的震动，从而减小该震动对发射端的超声波造成的影响。工作时，整个装置放置于液体中，当在线缆7上施加相应的电压后，能够通过压电陶瓷片1与声音匹配层10的对应配合，能够发出相应超声波信号；且当液体中产生相应的机械振动时，压电陶瓷片1与声音匹配层10对应配合后能够产生相应频率的电信号，形成超声波接收器。由于通过声音匹配层10作为另外的电极，与现有金属壳2作为电极相比，能够极大的减少电磁干扰，提高传感器的精度。本发明壳体8内设有声音匹配层10，所述声音匹配层10上设有对应配合的压电陶瓷片1 ；压电陶瓷片1的上表面设置第一引线端6并作为传感器的一个电极，通过在声音匹配层10上设置第二引线端9并作为传感器的另一电极；压电陶瓷片1与声音匹配层10通过高强度粘胶连接在一起，并通过声音衰减体10安装固定在壳体8内；本发明电极连接结构， 避免了与较大面积的金属外壳相连，从而减小液体中复杂的电磁环境对超声波传感器信号的影响；声音匹配层10直接采用已商业化的陶瓷类材料TMM4，具有极高的抗液体离子腐蚀的特性，而且采用材料的声阻与计算值相匹配，并避免了传统式声音匹配层的复杂的制作过程。采用树脂性材料(Polyurethane)与钨粉或者氧化铝粉的混合材料制作声音衰减体 3，增加了超声波传感器的发射波带宽，从而增加了测量的精度；结构简单紧凑，安装使用方便，测量精度高，使用寿命长，使用成本低，适用范围广，安全可靠。
权利要求
1.一种高精度超声波传感器，包括壳体(8)及线缆(7)，所述线缆(7)包括第一连接线 (5)及第二连接线(16)；其特征是所述壳体(8)内的一端端部设有声音匹配层(10)，所述声音匹配层(10)上设有对应配合的压电陶瓷片(1)；声音匹配层(10)与第二连接线(16) 电连接，压电陶瓷片⑴与第一连接线(5)电连接；压电陶瓷片(1)、第一连接线(5)、声音匹配层(10)及第二连接线(16)通过声音衰减体(3)压紧安装于壳体(8)内。
2.根据权利要求1所述的高精度超声波传感器，其特征是所述声音匹配层(10)包括介质板(12)及位于介质板(12)上的连接电极(11)。
3.根据权利要求1所述的高精度超声波传感器，其特征是所述连接电极(11)呈开口圆环状，且连接电极(11)的开口端形成第一开口端(13)及第二开口端(14)。
4.根据权利要求1所述的高精度超声波传感器，其特征是所述壳体(8)采用金属或塑料制成。
5.根据权利要求1所述的高精度超声波传感器，其特征是所述壳体(8)对应于设置声音匹配层(10)的另一端设有支撑定位环G)，所述支撑定位环(10)套在壳体(8)上。
6.根据权利要求1所述的高精度超声波传感器，其特征是所述声音衰减体C3)采用发泡性树脂、聚氨基甲酸酯与钨粉形成的混合粉末或聚氨基甲酸酯与氧化铝粉末形成的混合粉末。
7.根据权利要求6所述的高精度超声波传感器，其特征是所述声音衰减体C3)通过将聚氨基甲酸酯与钨粉以体积比为31的比例混合制成或通过将聚氨基甲酸酯与氧化铝以体积比为11的比例混合制成。
8.根据权利要求2所述的高精度超声波传感器，其特征是所述介质板(1 的声阻为 6. 4X106Kg/m2so
9.根据权利要求1所述的高精度超声波传感器，其特征是所述压电陶瓷片(1)上设有电连接的第一引线端(6)，声音匹配层(10)上设有电连接的第二引线端(9)；第一连接线 (5)通过第一引线端(6)与压电陶瓷片⑴电连接，第二连接线(16)通过第二引线端(9) 与声音匹配层(10)电连接。
10.根据权利要求2所述的高精度超声波传感器，其特征是所述连接电极(11)采用铜制成，连接电极(11)的厚度为35μπι或70μπι。
全文摘要
本发明涉及一种高精度超声波传感器，其包括壳体及线缆，壳体内的一端端部设有声音匹配层，声音匹配层上设有对应配合的压电陶瓷片；声音匹配层与第二连接线电连接，压电陶瓷片与第一连接线电连接；压电陶瓷片、第一连接线、声音匹配层及第二连接线通过声音衰减体压紧安装于壳体内。本发明减小液体中复杂的电磁环境对超声波传感器信号的影响；声音匹配层具有极高的抗液体离子腐蚀的特性，而且采用材料的声阻与计算值相匹配，并避免了传统式声音匹配层的复杂的制作过程；声音衰减体增加了超声波传感器的发射波带宽，从而增加了测量的精度；结构简单紧凑，安装使用方便，测量精度高，使用寿命长，使用成本低，适用范围广，安全可靠。
文档编号G01P1/02GK102288782SQ20111020251
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者吴庆, 曹二林, 陈岚 申请人:江苏物联网研究发展中心