一体式超声波传感器的制作方法

本实用新型涉及复合管道流量检测技术领域，具体而言，涉及一种一体式超声波传感器。

背景技术：

用于传输浆液的复合管道具有橡胶内衬，且管道内流动的是含有固体颗粒的酸性液体，例如涡轮流量计进行流量测量时需要将其串入被测系统管路，破坏了系统的流阻特性，且安装维护非常不方便；容积式流量计由于存在机械转子、轴、轴承和齿轮等机械转动部件，计量表容易磨损，特别是对于含杂质较多的浆液，过滤网容易堵塞，造成计量表无法准确计量。同时由于管道外径比较大，电磁流量计也没法使用；传统的超声波流量计也没有应用于大管径衬胶管道的流量测量的，主要是因为频率、安装方式等原因导致无法接收的信号。因此市场上目前还没有一款适用于大管径衬胶管道的非接触式流量测量的仪表及专用的传感器。

若要在不影响生产的情况下进行接触式测量不现实，因此采用非接触式超声波测量浆液流量特性就是最佳选择。非接触式超声波流量测量使用的传感器一般由一组组成，安装在管道两侧呈一定的角度，角度一般为180°，一组传感器为一发一收或互为收发，发射电路输出一定幅度、一定频率的信号，这种信号施加到发射传感器后产生超声波信号，接收传感能器则实现把接收到的超声波信号转变成电信号，转变成电信号后再经过放大、滤波等过程实现对超声波回波信号的提取，信号中包含流量信息，根据相关的算法即可得到管道中流体的流量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种一体式超声波传感器，在不影响生产情况下通过对传感器的设计与安装方法利用超声波流量测量方式实现对复合管道的流量测量。

本实用新型提供了一种一体式超声波传感器，该传感器包括：

声楔块，其为等腰梯形；

阻尼层，其为硅胶与钨粉的混合物且均匀涂抹于所述声楔块的两个斜面上；

匹配层，其为环氧树脂且平整贴合于所述阻尼层上；

第一压电元件，其平整贴合于所述声楔块一个斜面所对应的所述匹配层上；

第二压电元件，其平整贴合于所述声楔块另一个斜面所对应的所述匹配层上；

第一信号线，其与所述第一压电元件焊接连接；

第二信号线，其与所述第二压电元件焊接连接；

保护壳，其将所述声楔块、所述第一压电元件和所述第二压电元件封闭在其内部，且所述声楔块的上下表面对应与所述保护壳的上下表面贴合；

过线孔，其设于所述声楔块的上部。

作为本实用新型的进一步改进，还包括信号线保护套，其为中空柱体，所述信号线保护套贯穿所述保护壳的一个侧壁。

作为本实用新型的进一步改进，还包括锁紧套，其与所述信号线保护套端部连接并延伸出所述保护壳的外部。

作为本实用新型的进一步改进，还包括固定环，其套设于所述信号线保护套和所述锁紧套的连接处。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一信号线的自由端依次穿过所述过线孔、所述信号线保护套和所述锁紧套延伸到所述保护壳外部。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二信号线的自由端依次穿过所述信号线保护套和所述锁紧套延伸到所述保护壳外部。

作为本实用新型的进一步改进，还包括匹配阻抗，其设于所述第一信号线和所述第二信号线上。

作为本实用新型的进一步改进，还包括磁铁A和磁铁B，其二者分别设于所述保护壳下表面的两端。

作为本实用新型的进一步改进，所述声楔块的材质为有机玻璃，所述保护壳的材质为铝合金，所述第一压电元件和所述第二压电元件为PZT-5.0压电陶瓷圆薄片。

作为本实用新型的进一步改进，所述阻尼层厚度为1mm。

本实用新型的有益效果为：通过选择合适的超声波传感器的敏感元件，以及超声波传感器的一体化设计，有利于在流速较慢时或非满管情况下提高测量精度；同时由于本实用新型所述超声波传感器为收发一体，因此可以根据实际情况单独使用，也可以组合使用，有较好的通用性，适用范围广泛，且安装和使用都很方便。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述的一种一体式超声波传感器结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的一种一体式超声波传感器的温度特性曲线；

图3为本实用新型实施例所述的一种一体式超声波传感器的阻抗特性曲线；

图4为本实用新型实施例所述的一种一体式超声波传感器的工作示意图。

图中，

1、磁铁A；2、第一压电元件；3、保护壳；4、第一信号线；5、过线孔；6、声楔块；7、匹配阻抗；8、第二压电元件；9、信号线保护套；10、固定环；11、锁紧套；12、第二信号线；13、磁铁B；14、复合管道；15、第一传感器；16、第二传感器；17、流体中颗粒物。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型实施例所述的是一种一体式超声波传感器，该超声波传感器包括：

声楔块6，其为等腰梯形。本实施例中选用的为底角为33.5°的等腰梯形，在实际应用中也可根据具体情况设计其底角大小。声楔块6的倾斜角度设计是为了避免超声波在管道和流体中传播时产生较强的交互回响，并提高信号强度。声楔块6的两个斜面被加工为光滑平整斜面，可以更有利于阻尼层的贴合。

阻尼层，其为硅胶与钨粉的混合物且均匀涂抹于声楔块6的两个斜面上。阻尼层为硅胶中参入适量的钨粉，均匀混合后涂抹在声楔块6的两个斜面上，阻尼层涂抹厚度为1mm，经48小时干化。硅胶为高阻抗、高衰减的吸声材料，可以吸收第一压电元件2和第二压电元件8背面辐射的超声波并将其转换为热能，减小背面辐射产生的干扰。

匹配层，其为环氧树脂且平整贴合于阻尼层上。本实施例所用环氧树脂比例为4：1，环氧树脂作为匹配层可以提高传感器的灵敏度，并且使频带展宽，使声波从第一压电元件2和第二压电元件8入射到声楔块6时的投射系数得到提高。

第一压电元件2，其平整贴合于声楔块6一个斜面所对应的匹配层上；

第二压电元件8，其平整贴合于声楔块6另一个斜面所对应的匹配层上；

本实施例中第一压电元件2和第二压电元件8的正负极设于同一侧，也就是说其正负极设置在第一压电元件2和第二压电元件8与匹配层贴合面的相对面上。

第一信号线4，其与第一压电元件2焊接连接；

第二信号线12，其与第二压电元件8焊接连接；

本实施例中所用的第一信号线4和第二信号线12选用双重屏蔽电缆，双重屏蔽电缆能够确保信号质量，尽可能降低了噪声对信号的干扰。

保护壳3，其将声楔块6、第一压电元件2和第二压电元件8封闭在其内部，且声楔块6的上下表面对应与保护壳3的上下表面贴合。

保护壳3应确保贴有第一压电元件2和第二压电元件8的声楔块6完整放入其内部，从而可以避免外界干扰减少测量误差，使测量结果更加精确。且将声楔块6的两个平行平面分别与保护壳3的上下两个平行平面贴合放置，是为了使保护壳3对声楔块6的封装效果更好，避免出现较大空间造成声楔块6安装不牢固影响测量结果。

过线孔5，其设于声楔块6的上部。过线孔5是为了将第一信号线4穿过声楔块6而引出，同时也对第一信号线4起到一定的保障作用，避免使用过程中第一信号线4与声楔块6之间产生摩擦，另外也使传感器内壁排线比较整洁不凌乱。

进一步的，还包括信号线保护套9，其为中空柱体，信号线保护套9贯穿保护壳3的一个侧壁。

进一步的，还包括锁紧套11，其与信号线保护套9端部连接并延伸出保护壳3的外部。

进一步的，还包括固定环10，其套设于信号线保护套9和锁紧套11的连接处。

进一步的，第一信号线4的自由端依次穿过过线孔5、信号线保护套9和锁紧套11延伸到保护壳3外部。

进一步的，第二信号线12的自由端依次穿过信号线保护套9和锁紧套11延伸到保护壳3外部。

信号线保护套9、固定环10和锁紧套11均是为了保障第一信号线4和第二信号线12能够由保护壳3中安全引出。

进一步的，还包括匹配阻抗7，其设于第一信号线4和第二信号线12上。在第一信号线4和第二信号线12上设置匹配阻抗7是为了匹配后续对超声波传感器的检测电路。

进一步的，还包括磁铁A1和磁铁B13，其二者分别设于保护壳3下表面的两端。磁铁A1和磁铁B 13是为了便于将超声波传感器吸附在待测复合管道上。

进一步的，声楔块6的材质为有机玻璃，保护壳3的材质为铝合金，第一压电元件2和第二压电元件8为PZT-5.0压电陶瓷圆薄片。有机玻璃不仅容易加工，而且在5MHz以下的时候衰减很小，同时有机玻璃和工件声耦合特性好。铝合金保护壳3较传统的橡胶或铝制外壳具有强度高，重量轻的优点。本实用新型实施例所使用的第一压电元件2和第二压电元件8的特性，结构，尺寸都是针对衬胶管道经过理论计算的，针对衬胶管道提高了声波的指向性。PZT-5.0压电陶瓷圆薄片沿厚度方向振动，产生的超声波为纵波。该压电陶瓷灵敏度和居里温度高、各种参数时间稳定性好，具有较高的介电常数和机电耦合系数。

进一步的，阻尼层厚度为1mm。

本实用新型实施例对所述超声波传感器的性能进行了测试：

(1)温度特性测试

环境温度的变化对压电材料的压电系数和介电常数的影响都很大，它将使超声波传感器灵敏度发生变化。但当温度低于400℃时，其压电系数和介电常数都很稳定。根据实际的测试条件，超声波传感器的温度测试设定在-30℃～100℃范围内。超声波传感器经过高低温度的测试后，超声波传感器输出特性基本没有变化，即超声波传感器可以很好的工作在-25℃～85℃的范围内，满足设计要求，温度特性曲线如图2所示。

(2)频率特性测试

使用NF公司的阻抗/增益·相位综合解析装置ZGA5905对设计的超声波传感器进行阻抗性能测试，ZGA5905仪器可以测量0.1mHz～15MHz的频率段进行测量，得到超声波传感器的频率-阻抗特性，使其更好地与电路进行阻抗匹配。

超声波传感器在50KHz～1.5MHz频率段进行导纳频率特性和相位频率特性测试，从图3可以看出在800KHz～1.2MHz频率区间相位发生了突变，且电导最大值和电导最小值出现在这个频率区间，整体范围在-180°～180°，说明串联谐振频率在此区间，从而推到出压电参数，比如C0，C1，R1，L1，Qm，最终推导出压电传感器和驱动电路的阻抗匹配用电感。

如图4所示，是本实用新型所述一体式超声波传感器安装方法。

由于本实用新型中的超声波传感器为收、发一体式设计，因此第一传感器15和第二传感器16可以独立工作互不影响。但考虑到复合管道14中流体的流量分布特性，因此本实用新型实施例设置了第一传感器15和第二传感器16两个超声波传感器。而在实际工况中可以根据流量需要设置多个超声波传感器。第一传感器15和第二传感器16通过其底部设置的磁铁A1和磁铁B13吸附在复合管道14的底部。工作时，第一传感器15和第二传感器16均可独立工作，管道流体流速稳定时可以通过控制第一传感器15和第二传感器16上的自动开关选择第一传感器15和第二传感器16单独工作即可，流速较慢或流速不稳定时可选择第一传感器15和第二传感器16同时工作，具体可根据实际情况来控制选择。在测量复合管道14中的流体流量时均采用频差法进行流量检测，工作时使用信号发生器产生标准的正弦序列驱动发射传感器产生超声波信号，超声信号穿过流体介质，被流体中的固体颗粒反射后，接收传感器收到超声信号(回波信号)，根据回波信号的频率变化计算流体的流量，通过控制可以选择在流速稳定时可以使用第一传感器15或第二传感器16的数据，在流速较慢或流速不稳定时可选择第一传感器15和第二传感器16同时工作并将两组数据综合处理以提高测量精度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。