一种超声波传感器的制作方法

本发明涉及一种传感器，具体的说，涉及一种超声波空气传感器，属于传感器技术领域。

背景技术：

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器种类众多，例如超声波空气传感器目前使用比较广泛，主要应用在工业、国防、生物医学等方面，超声波空气传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。

如图1所示，现有的传感器的压电晶体陶瓷芯片上均匀设有若干长条状分割槽，开槽贯穿瓷片的两端，所有分割槽同方向设置，分割槽将传感器陶瓷芯片均匀分隔成若干份底部连接在一起的长条状板块振子。

而利用现有的压电晶体陶瓷芯片制成传感器的带宽比较窄，接收灵敏度不稳定，不同温度下频率的飘移阻抗的变化的兼容性不够。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种超声波传感器，压电晶体芯片分割成小振子后实现多点共振，有利于带宽的增加，有利于多点共振，有利于起振速度增快，有利于中心频率的一致性，接收灵敏度的稳定性，可以适应各种不同空气主控单元的测量要求，带宽的增加有利于在不同温度下频率的飘移阻抗的变化的兼容性，大大提高了传感器的稳定性和一致性。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超声波传感器，包括橡胶套、声楔、压电晶体芯片和不锈钢帽，不锈钢帽安装在橡胶套内，声楔嵌入在橡胶套顶端，压电晶体芯片设置在不锈钢帽内，压电晶体芯片和不锈钢帽上分别焊接有一根引线；

所述压电晶体芯片上均匀设有若干横向分割槽和径向分割槽，压电晶体芯片被横向分割槽和径向分割槽均匀分隔成若干方块振子。

进一步的，所述横向分割槽和径向分割槽均为贯穿压电晶体芯片两端的长条状。

进一步的，所述横向分割槽和径向分割槽垂直交叉设置。

进一步的，所述方块振子的上部通过横向分割槽和径向分割槽分隔，底部连接在一起。

进一步的，所述横向分割槽的长度与压电晶体芯片的长度相同，径向分割槽的长度与压电晶体芯片的宽度相同。

进一步的，所述横向分割槽和径向分割槽的宽度为0.23mm-0.27㎜。

进一步的，所述横向分割槽和径向分割槽的深度为2.3-2.4mm。

进一步的，所述橡胶套的顶部开设有圆形通孔，橡胶套的下部设有环形凹槽，不锈钢帽下端的延边嵌入到环形凹槽内，不锈钢帽顶端的上表面与橡胶套顶端的下表面贴合，声楔嵌入在圆形通孔内，声楔的底部贴紧不锈钢帽顶端的上表面，压电晶体芯片的顶端固定在不锈钢帽顶端的下表面上。

进一步的，所述压电晶体芯片的长度和宽度为7.5mm×7.5mm，横向分割槽和径向分割槽的数量均为3个，横向分割槽和径向分割槽在压电晶体芯片划分出16个大小相同的方块振子。

进一步的，所述压电晶体芯片的长度和宽度为8.25mm×8.25mm，横向分割槽和径向分割槽的数量均为4个，横向分割槽和径向分割槽在压电晶体芯片划分出25个大小相同的方块振子。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

压电晶体芯片分割成小振子后有利于带宽的增加，有利于多点共振，有利于起振速度增快，有利于中心频率的一致性，接收灵敏度的稳定性，可以适应各种不同空气主控单元的测量要求，带宽的增加有利于在不同温度下频率的飘移阻抗的变化的兼容性，大大提高了传感器的稳定性和一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为背景技术中压电晶体芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例1和实施例2中传感器的结构示意图；

图3和图4为本发明实施例1中压电晶体芯片的结构示意图；

图5为本发明实施例2中压电晶体芯片的结构示意图；

图6为背景技术中压电晶体芯片的随温度变化零流量的时间差曲线图；

图7为背景技术中压电晶体芯片的频率和阻抗曲线图；

图8为背景技术中压电晶体芯片的示波器实验的波形图；

图9为背景技术中压电晶体芯片的示波器实验的波形数据图；

图10为本发明实施例1中压电晶体芯片的随温度变化零流量的时间差曲线图；

图11为本发明实施例1中压电晶体芯片的频率和阻抗曲线图；

图12为本发明实施例1中压电晶体芯片的示波器实验的波形图；

图13为本发明实施例1中压电晶体芯片的示波器实验的波形数据图；

图14为本发明实施例2中压电晶体芯片的频率和阻抗曲线图；

图15为本发明实施例2中压电晶体芯片的示波器实验的波形图；

图16为本发明实施例2中压电晶体芯片的示波器实验的波形数据图；

图中：1-不锈钢帽，2-压电晶体芯片，3-声楔，4-橡胶套，5-引线，21-横向分割槽，22-径向分割槽，23-方形振子。

具体实施方式

实施例1，如图2至图4所示，一种超声波传感器，包括橡胶套4、声楔3、压电晶体芯片2和不锈钢帽1，橡胶套4的顶部开设有圆形通孔41，橡胶套4的下部设有环形凹槽42，不锈钢帽1安装在橡胶套4内，不锈钢帽1下端的延边嵌入到环形凹槽42内，不锈钢帽1顶端的上表面与橡胶套4顶端的下表面贴合，声楔3嵌入在圆形通孔41内，声楔3的底部贴紧不锈钢帽1顶端的上表面，压电晶体芯片2设置在不锈钢帽1内，压电晶体芯片2的顶端固定在不锈钢帽1顶端的下表面上，压电晶体芯片2和不锈钢帽1上分别焊接有一根引线5。

所述压电晶体芯片2上均匀设有若干横向分割槽21和径向分割槽22，横向分割槽21和径向分割槽22均为贯穿压电晶体芯片两端的长条状，横向分割槽21和径向分割槽22垂直交叉设置，压电晶体芯片被横向分割槽21和径向分割槽22均匀分隔成若干方块振子23，方块振子23的上部通过横向分割槽21和径向分割槽22分隔，底部连接在一起。

所述横向分割槽21的长度与压电晶体芯片2的长度相同，径向分割槽22的长度与压电晶体芯片2的宽度相同。

所述横向分割槽21和径向分割槽22的宽度为0.23mm-0.27㎜，优选为0.25mm。

所述横向分割槽21和径向分割槽22的深度为2.3-2.4mm。

所述压电晶体芯片2的长度和宽度为7.5mm×7.5mm，横向分割槽21和径向分割槽22的数量均为3个，横向分割槽21和径向分割槽22在压电晶体芯片2划分出16个大小相同的方块振子23，方块振子23的长度和宽度为1.66mm-1.70mm×1.66mm-1.70mm，优选的方块振子23的长度和宽度为1.68mm×1.68mm。

本实施例所述的压电晶体芯片与现有技术的压电晶体芯片对比如下：

如图6和图10随温度变化零流量的时间差对比可以得出，背景技术中分割成长条状板块的7.5×7.5×1.68压电晶体芯片制成的传感器随温度变化零流量的时间差在3ns范围内但重复性不好数据变化大，而实施例1中分割成16个方块振子的7.5×7.5×1.68×1.68压电晶体芯片制成的传感器随温度变化零流量的时间差虽在2ns范围内但时间差更小更稳定，重复性好波形也好。

如图7和图11所示的阻抗和曲线图，其中z曲线是频率曲线，θ曲线是阻抗曲线，对比可以发现背景技术中分割成长条状板块的7.5×7.5×1.68压电晶体芯片制成的传感器谐振频率为538khz，反谐振频率为624khz，中心频率为580khz，带宽为86khz，而实施例1中分割成16个方块振子的7.5×7.5×1.68×1.68压电晶体芯片的谐振频率为392khz，反谐振频率为592khz，中心频率为492khz，带宽为200khz，通过对比可以发现背景技术中压电晶体芯片制成的传感器偏离中心频率500khz比较多，而实施例1中压电晶体芯片制成的传感器接近中心频率500khz，实施例1中压电晶体芯片制成的传感器的带宽相比背景技术中压电晶体芯片制成的传感器增宽2.3倍。

如图8、图9、图12和图13所示的波形图，对比可以发现背景技术中分割成长条状板块的7.5×7.5×1.68压电晶体芯片制成的传感器需要8个波才能到达峰值，波形峰值为19.4mv，而实施例1中分割成16个方块振子的7.5×7.5×1.68×1.68压电晶体芯片制成的传感器需要6个波就可到达峰值，波形峰值为28.4mv。

综上所述实施例1中分割成16个方块振子的7.5×7.5×1.68×1.68压电晶体芯片制成的传感器中心频率最接近500khz,带宽200khz，灵敏度增加了9毫伏，前后波形非常干净，杂波的剔除率高了。

实施例2，如图2和图5所示，一种超声波传感器，包括橡胶套4、声楔3、压电晶体芯片2和不锈钢帽1，橡胶套4的顶部开设有圆形通孔41，橡胶套4的下部设有环形凹槽42，不锈钢帽1安装在橡胶套4内，不锈钢帽1下端的延边嵌入到环形凹槽42内，不锈钢帽1顶端的上表面与橡胶套4顶端的下表面贴合，声楔3嵌入在圆形通孔41内，声楔3的底部贴紧不锈钢帽1顶端的上表面，压电晶体芯片2设置在不锈钢帽1内，压电晶体芯片2的顶端固定在不锈钢帽1顶端的下表面上，压电晶体芯片2和不锈钢帽1上分别焊接有一根引线5。

所述压电晶体芯片2上均匀设有若干横向分割槽21和径向分割槽22，横向分割槽21和径向分割槽22均为贯穿压电晶体芯片两端的长条状，横向分割槽21和径向分割槽22垂直交叉设置，压电晶体芯片被横向分割槽21和径向分割槽22均匀分隔成若干方块振子23，方块振子23的上部通过横向分割槽21和径向分割槽22分隔，底部连接在一起。

所述横向分割槽21的长度与压电晶体芯片2的长度相同，径向分割槽22的长度与压电晶体芯片2的宽度相同。

所述横向分割槽21和径向分割槽22的宽度为0.23mm-0.27㎜，优选为0.25mm。

所述横向分割槽21和径向分割槽22的深度为2.3-2.4mm。

所述压电晶体芯片2的长度和宽度为8.25mm×8.25mm，横向分割槽21和径向分割槽22的数量均为4个，横向分割槽21和径向分割槽22在压电晶体芯片2划分出25个大小相同的方块振子23，方块振子23的长度和宽度为1.43mm-1.47mm×1.43mm-1.47mm，优选的方块振子23的长度和宽度为1.45mm×1.45mm。

本实施例所述的压电晶体芯片与现有技术的压电晶体芯片对比如下：

如图7和图14所示的阻抗和曲线图，其中z曲线是频率曲线，θ曲线是阻抗曲线，对比可以发现背景技术中分割成长条状板块的7.5×7.5×1.68压电晶体芯片制成的传感器的谐振频率为538khz，反谐振频率为624khz，中心频率为580khz，带宽为86khz，而实施例2中分割成25个方块振子的8.25×8.25×1.45×1.45压电晶体芯片制成的传感器的谐振频率为404khz，反谐振频率为584khz，中心频率为494khz，带宽为180khz，通过对比可以发现背景技术中压电晶体芯片制成的传感器偏离中心频率500khz比较多，而实施例2中压电晶体芯片制成的传感器接近中心频率500khz，实施例2中压电晶体芯片制成的传感器的带宽相比背景技术中压电晶体芯片制成的传感器增宽2.1倍。

如图8、图9、图15和图16所示的波形图，对比可以发现背景技术中分割成长条状板块的7.5×7.5×1.68压电晶体芯片制成的传感器需要8个波才能到达峰值，波形峰值为19.4mv，而实施例2中分割成25个方块振子的8.25×8.25×1.45×1.45压电晶体芯片制成的传感器需要4个波就可到达峰值，波形峰值为22.8mv。

综上所述分割成25个方块振子的8.25×8.25×1.45×1.45压电晶体芯片制成的传感器中心频率最接近500khz,带宽180khz，灵敏度增加了近3.4毫伏，灵敏度适中，但是起振速度加快了一倍。

综合实施例1和实施例2所述的技术方案压电晶体芯片是一种功能性晶体陶瓷，它具有能量转换功能，给它一个机械能它能转换为电能，给它一个电能它能转换为机械能，它是多种稀贵金属混合组成的配方，经过复杂的生产工艺，经过高温合成和高温结晶而成的功能性陶瓷芯片，经过复杂的工艺制作后利用高压极化形成晶体转向从而具有性能的正负极芯片。

而压电晶体芯片分割成小振子后有利于带宽的增加，有利于多点共振，有利于起振速度，有利于中心频率的一致性，接收灵敏度的稳定性，可以适应各种不同要求的空气测量要求，带宽的增加有利于在不同温度下频率的飘移阻抗的变化的兼容性，大大提高了传感器的稳定性和一致性。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。