气体探测传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种气体探测传感器。

背景技术：

超声波传感器是计量的关键部件，通过超声波的传播，在经过能量的转换后，输出模拟信号，计量芯片通过对信号的处理，计算出超声波的传输时间，进而计算出计量介质的特性，如流速、流量、密度、高度等。

随着超声波探测气体流量、流速的兴起，市面上出现了多种传感器，但普通都存在起振速率不规则，而造成数据取值和分析困难的问题，并且实验人员为了克服数据取值中的误差问题，还需进行多次实验以取平均值，功耗较大，成本高。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在提供一种起振规律、误差小的气体探测传感器。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种气体探测传感器，包括壳体、封盖、压电元件及导线，所述壳体上设有用于容置所述压电元件的凹槽，所述封盖与所述壳体顶部连接并将所述压电元件封装于所述壳体中，所述导线穿过所述封盖并与所述压电元件电连接，所述壳体的密度范围为0.48-0.62g/cm³。

进一步设置：所述壳体的底面厚度为1/4λ及其偶数倍，其中λ为超声波的工作波长。

进一步设置：所述压电元件包括压电陶瓷及设于所述压电陶瓷上下两侧的金属层，所述导线的正极与所述压电陶瓷上侧的金属层电连接，所述导线的负极与所述压电陶瓷下侧的金属层电连接。

进一步设置：所述金属层为涂覆于所述压电陶瓷上下两侧的银层。

进一步设置：所述压电陶瓷与所述金属层之间设有阻尼层，所述金属层设于所述阻尼层远离所述压电陶瓷的一侧。

进一步设置：所述阻尼层的硬度范围为75-90shorea。

进一步设置：所述壳体内对应所述导线与所述压电陶瓷下侧的金属层的连接处开设有避让口。

进一步设置：所述壳体的外周设有连接槽，所述封盖可局部地嵌入所述连接槽中以与所述壳体卡接。

进一步设置：所述封盖采用pu材料一体化注塑成型。

进一步设置：所述壳体呈开口向上的圆筒设置，且所述壳体的直径在5～50mm之间。

相比现有技术，本实用新型的方案具有以下优点：

1.在本实用新型的气体探测传感器中，通过采用密度为0.48-0.62g/cm³的壳体作为传感器的匹配层结构，其声阻抗小，使得对压电元件的束缚在可控的范围内，并且可减少超声波在传递过程中的损耗，从而可提高传感器起振的规律性；并且本实用新型的气体探测传感器的波形之间的差值明显，易于捕捉信号，减少了对其他信号的捕捉，误差小，从而提高了传感器的流量精度。

2.在本实用新型的气体探测传感器中，通过在压电陶瓷外侧设置阻尼层，阻尼层对所述压电陶瓷的起振可控，使得本实用新型的气体探测传感器的起振阶梯差异性大；同时还可对所述压电陶瓷起到保护的作用，使其不受外部环境的影响。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型气体探测传感器的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的一个实施例中壳体的结构示意图；

图3为本实用新型气体探测传感器的一个实施例的内部结构示意图；

图4为本实用新型气体探测传感器的回波示意图。

图中，1、壳体；11、凹槽；12、避让口；13、连接槽；14、蓄胶槽；2、封盖；3、压电元件；31、压电陶瓷；32、金属层；4、导线；100、气体探测传感器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

请参见图1和图2，本实用新型涉及一种气体探测传感器100，其主要用于发射和接收气体流速、流量探测时的超声波信号，解决了现有传感器中的起振速率不规则而造成数据取值和分析困难的问题，结构简单，且测试精度高。

所述气体探测传感器100包括壳体1、封盖2、压电元件3及导线4，其中，所述壳体1可用作所述气体探测传感器100的匹配层，用于实现与空气及压电元件的声阻抗匹配，以确保超声波传感器在高达数百千赫兹频率的情况下，仍能够正常工作。所述壳体1上凹陷形成有用于容置所述压电元件3的凹槽11，具体地，所述壳体1为一开口向上的圆筒，所述封盖2扣设于所述壳体1外侧，并将所述压电元件3封装在所述壳体1中，从而可对所述压电元件3起到保护的作用，所述导线4从所述封盖2的顶部贯穿所述封盖2并与所述压电元件3电连接。

进一步的，所述壳体1可作为所述气体探测传感器100的匹配层结构，以实现压电元件3与空气的声阻抗匹配。具体的，所述壳体1采用无机非金属材料或有机聚合物混合而成，且所制得的壳体1的密度优选为0.48-0.62g/cm³，使得所述壳体1对所述压电元件3的束缚在可控范围内，从而有助于调整传感器的起振速率，起振规律性较好，便于传感器所探测数据的取值和分析。

更进一步的，所述壳体1的底面厚度设置为1/4λ及其偶数倍，λ为超声波的波长，从而可减少不同介质界面上的超声波折射传播衰减、提升超声波传感器的精度。优选地，本实施例中的壳体1的底面厚度为1/4λ，可确保超声波具备足够的能量穿透所述壳体1。

所述壳体1的密度小、重量轻、声阻抗小，并在本实施方式中，所述壳体1的直径限定在5～50mm之间，从而不仅可以起到保护所述压电元件3的作用，还可有效地提高所述气体探测传感器100的声阻抗匹配能力，提高传感器的灵敏度，同时还能够有效的拓宽传感器的工作带宽，增加传感器收发信息量，使传感器分辨率和工作适应能力得到改善。

所述压电元件3包括压电陶瓷31及设于所述压电陶瓷31上下两侧的金属层32，所述导线4的正极与所述压电陶瓷31上侧的金属层32焊接，所述导线4的负极与所述压电陶瓷31下侧的金属层32焊接，从而可实现所述压电陶瓷31的全电极，有助于提高所述压电陶瓷31的极化强度，使得所述压电元件3具备良好的极化性能。

进一步的，所述压电陶瓷31与所述金属层32之间设有阻尼层(图中未标示，下同)，通过所述阻尼层以产生传感器模拟信号的梯度差，同时向传感器反方向传播的超声波尽快衰减，避免带来的干扰。

优选地，所述阻尼层的硬度范围为75-90shorea，使得所述压电陶瓷31受到所述阻尼层的保护以不受外界环境的影响；同时，所述阻尼层对所述压电陶瓷31的粘度较低，该粘度在5000cps以下，使的所述阻尼层对所述压电陶瓷31的振动可控。此外，所述阻尼层的膨胀系数与所述壳体1的相近，使得其在固化后与所述壳体1的结合良好。

优选地，所述金属层32采用金属银电镀或涂覆而成，具体地，银层涂覆于所述阻尼层远离所述压电陶瓷31的一侧。

此外，所述压电元件3通过粘合剂粘接在所述壳体1的凹槽11中，所述粘合剂可将所述压电元件3固定于所述壳体1中并将两者隔离，使得所述压电元件3与所述壳体1为耦合连接。作为进一步的优选的是，所述粘合剂的粘度在150000-350000cps之间，硬度在75-90shored之间，可实现所述银层与所述壳体1的固定，同时由于所述压电元件3与所述壳体1之间填充有粘合剂以实现两者的耦合连接，且稳定性高。

进一步的，所述壳体1的底部对应所述导线4与所述压电元件3下侧的金属层32的焊接处开设有避让口12，可避免所述导线4与所述金属层32的焊点凸出与所述壳体1接触，同时所述粘合剂还可注入所述避让口12中，以增强所述压电元件3与所述壳体1的连接力度。

更进一步的，请结合图3，所述壳体1的凹槽11底部还开设有蓄胶槽14，所述蓄胶槽14沿所述凹槽11的周边设置一圈，所述粘合剂可填充于所述蓄胶槽14中，以增加所述粘合剂与所述壳体1的作用面积，从而增加粘合剂与所述壳体1的粘结力度，进一步提高所述压电元件3与所述壳体1连接的稳定性。

请结合图3，所述壳体1的外周设有环绕所述壳体1设置的连接槽13，同时所述封盖2可局部地嵌入所述连接槽13内，可实现所述壳体1与所述封盖2的卡接配合，以提高所述壳体1与所述封盖2之间的连接强度，进一步提高所述壳体1与所述封盖2连接的稳定性。

优选地，所述封盖2采用pu塑料一体化注塑成型制成而成，使得所述封盖2具有良好的弹性变形能力，便于与所述壳体1卡接；同时所述封盖2一体化成型，具有良好的结构稳定性。

本实用新型的气体探测传感器100通过采用密度范围在0.48-0.62g/cm³的壳体1作为匹配层结构，其声阻抗小，使得对压电元件3的束缚在可控的范围内，并且可减少超声波在传递过程中的损耗，从而可提高传感器起振的规律性。同时在所述压电陶瓷31与所述金属层32之间设置阻尼层，从而以产生传感器模拟信号的梯度差，从而可结合图4，图4为本实用新型的气体探测传感器测试的回波示意图，可明显看出波形之间的差值明显，从而易于捕捉信号，误差小，继而确保传感器的流量精度高。而现有的传感器的波形较为稳定、差值小，从而易捕捉到其他信号的波形，误差较大。从而采用本实用新型的气体探测传感器100可减少因降低误差而进行的多次重复脉冲驱动实验，减少了功耗。

此外，本实用新型的气体探测传感器100还在所述压电陶瓷与所述金属层32之间设置阻尼层，所述阻尼层对所述压电陶瓷31的起振可控，使得本申请传感器的起振阶梯差异性大；同时还可对所述压电陶瓷31起到保护的作用，使其不受外部环境的影响。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。