一种适配超声波立柱对射式流量计的换能器的制作方法

本发明隶属传感器，具体涉及一种适配超声波立柱对射式流量计的换能器。

背景技术：

1、在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，对于工业及民生水、热、燃气供给计量领域，由全电子模式流量计逐步取代机械式或机电组合模式流量计，已成不可逆转的大趋势。

2、近几年，超声波流量计具备对不同口径兼容性好、低压损、高精度、高可靠性、无磨损器件、应用面广且具有耐久性及经济性的优点，得到业界重视并逐渐普及。

3、超声波流量计的构成，除了时差积算电路，还有换能器、换能器布局方式及流道分区结构等四个方面，前者即由芯片测量时差的分辨率大小决定着对某个确定的流量计基表可测流量的最小量值；后三者所构建的整体架构决定着超声波流量计的综合性能和计量品质指标，其中，流量计计量品质指标的核心是计量精度和量程比。

4、换能器是超声波流量计中的关键器件，它起到将高频电信号转变为高频声波、或者将接收到的高频声波转变为电信号的换能转换作用。超声波换能器中的核心部件是以锆钛酸铅为主流的压电陶瓷pzt。其中，压电陶瓷pzt-8的性能较为优越，普遍应用于流体测量领域。当pzt-8接收到声波声压时，内部会机械变形极化且在两相对表面形成正、负电荷；当给pzt-8两相对表面施加一电场时，其内部亦会发生物理变形，如果施加的是一高频电场，压电陶瓷的变形与物体作用结合即可产生超声波。前者效应称为正压电效应，后者成为负压电效应。

5、将pzt-8制作成一定厚度、直径的陶瓷片后，需要在压电片两面镀银且引出电极并对陶瓷片进行全面匹配和保护以便方便安装固定，特别是在液体中的应用。所以，常规须对其用壳体进行封装，当压电陶瓷片经焊接引线与壳体完成封装后，就可称之为超声波换能器。

6、在超声波流量计的整体结构中，对于由电池供电的低功耗电路，超声波换能器的匹配需要考虑两方面因素：1)换能器与时差电路连接，需要进行等效电性阻抗匹配，以便电路高频电信号源能提供换能器有较大的功率输出；以及对接收到的高频声波压转换成的高频电信号有较好的接收电抗匹配以获得幅度较好的电压响应；2)就换能器本身被高频电信号驱动后，其震动产生的超声波声压强度大小、以及接收到高频声压转换为高频电信号的强度大小，也必须要有较高的转换效率。第二方面要素可归结为压电陶瓷片与封装壳体间的声阻匹配。换言之，当电路与换能器已经进行等效电性阻抗匹配后，需要重点解决的是压电陶瓷片与封装壳体的声阻匹配，以发送声波为例，声阻匹配是决定换能器产生超声波传播距离远近和所生成的超声波的有用波形形态的关键要素。

7、对上述关键因素可以理解为：对于同一驱动电路，换能器封装后，声阻匹配好，声波传播远，以及接收到的声波转换成电信号形态规则、幅值大，能更利于换能器间距较远的大口径流量计的应用；另外，换能器所接收到声波信号后，压电陶瓷片随之起振快，转换成的电信号首波幅度大，那么就容易准确触发计时电路，启动电路时差模块准确计时。

8、2012～2017年，随着国际上ams、d-flow、ti等公司先后推出了较先进的超声波时差计时芯片，其分辨率都已达到5～11ps，完全满足了水、气计量应用需求，超声波流量计随着这一根本性技术的突破而开始其应用普及。目前，超声波换能器的性能是超声波流量计应用中需要亟待解决和提高的瓶颈环节。

9、对于超声波换能器的制造，本发明根据理论推演和实践，结合超声波立柱对射式流量计的特点，提出九条技术导则，归纳为如下：

10、(1)最优化声传导封装材料声阻抗匹配选择原则：封装压电陶瓷片的材料，其声波在该材料中传播的声阻抗要和在其两侧的介质阻抗之和的平方根相等或接近，这样可达到或接近声阻抗匹配，获得优良的声波透射率。

11、(2)声阻抗匹配适应声波透射率发挥最大化原则：根据不同材料特性，在声波传播方向上，推导计算封装材料的封装厚度，以便适应声阻抗匹配，对于声阻抗匹配不好的材料要尽可能减少其厚度即忽略其声阻抗匹配，降低其负面影响；

12、(3)为了减少声波在传导过程中的损耗，应尽量减少匹配层个数的原则：匹配层越多，声波衰减就越大。例如，为了将封装材料与陶瓷片结合，一般需要胶粘，胶层属于第三种匹配材料，对于声波在胶层中的波长而言，如果其厚度不可忽略，那么它必然要参与声阻匹配，另外，较厚的胶层里容易包含有微小气泡，这将导致声波传导严重失调。所以，为了减少胶层对匹配带来不利影响，胶层应越薄越好，通常小于0.1mm。

13、(4)换能器压电陶瓷片两面，在方便电极引出线同时，要保证最大有效声波发生面积原则：压电陶瓷片的两面镀银形成两电极，为了保证电性接触的可靠性，通常在陶瓷镀银面上焊接电极引出线。焊接引出线后，应尽量不减少两陶瓷镀银面的面积，以保证声波强度。

14、(5)换能器无用声波干扰最小化原则：压电陶瓷片有两面，皆可发出声波，但方向相反，应当设法将反面发出声波的反射波不会叠加干扰影响正面发出的声波。

15、(6)换能器适应流量计应用的性能最优化原则：换能器的结构要适应其在流量计中安装的需求，利于量程比最大化目的；无论是对射式还是反射式，即一对换能器在流量计中安装位置间的距离在流体流动方向投影距离即声程，决定了流量计的量程比，所以，换能器的结构及其安装，应便于适配流量计声程最大化原则，这样做，理论上就可以获得较大的量程比。其理论的简单推演为：

16、

17、式中：q3为某口径流量计的常用流量，q1为满足一定计量精度要求的最小流量，3为与流量计的计量时差、声速有关的已知量，l为超声波流量计管路内两换能器对射面之间的间距，α为两换能器之间连线在流量计管路水流方向的夹角(α为锐角，当α＝0时，两换能器连线与水流方向一致，cos(α)＝1)；从上式可以看出，换能器间声程与流量计量程比成正比。

18、(7)换能器的密封与定位分离原则：如果换能器的的密封与定位一体，比如密封圈即用来密封，也同时用来定位，如果密封圈变形，定位面就偏移。密封圈变形引起定位面偏移而导致发声面方向偏转，特别是对于大口径流量计应用，这缺陷是致命的。

19、(8)换能器具备耐冲击性原则：换能器的结构要满足其在流量计中安装后，能够抗震动或压力突变所导致声波发声面材料变形或脱离造成换能器失效，另外，在管道震动时，安装的密封圈也不能引起换能器发声面的震动。

20、(9)换能器性能一致性原则；封装过程标准化，即焊接点位于陶瓷片边沿且规则，涂胶厚薄一致性好，这样就不至于影响声阻匹配，那么，换能器电参数一致性就好，便于检测及换能器间互换匹配。

21、对照上述超声波换能器的九条技术导则，现有技术仍然存在缺陷或不足。

22、专利授权公告号：cn 202471148 u公布一种换能器，由金属层作为压电陶瓷发声面的壳体保护层，其权利要求3明确，保护层的匹配厚度小于等于0.1mm。实际应用中，为了忽略金属层的存在，与压电陶瓷pzt-8有较好的声阻匹配及带宽保证，金属层的厚度常选择为0.05mm的不锈钢薄层。这种导声面由薄层金属封装模式的金属层与压电陶瓷片间通常用胶粘合；但是，当流量计所在管路内产生较大正、负压力变化时，薄金属层受外部吸力容易与陶瓷片脱离或变形，这将导致陶瓷片与金属薄层间出现微小的真空或气层(微米级)，换能器会因此而失效，有悖于原则(8)；另外，该专利附图2所示换能器为“凸”形，其前端侧面由密封圈密封及定位，有悖于原则(7)。

23、专利申请公布号：cn 103487097 a公布一种换能器，由金属层作为压电陶瓷发声面的壳体保护层，有悖于原则(8)；从其附图1中可明确看出，陶瓷片上的两电极的焊接点都在其背后镀银面上(正极)，有悖于原则(4)，该专利换能器为“凸”形，其前端侧面有密封圈密封及定位，有悖于原则(7)。

24、专利授权公告号：cn 203648820 u公布一种换能器陶瓷片电极引线方式，从其附图6中可明确看出，换能器陶瓷片的负电极(前面，超声波的发生及声波传播面)通过陶瓷片侧面通至陶瓷片正电极(后面，即与“前面”反方向面)焊接引出线，两个电级的引线都在一个电极面(正极面)上，减少了陶瓷片正极的发声面，有悖于原则(4)。

25、专利授权公告号：cn 204944595 u公布一种塑料封装换能器，从其附图1、2中可明确看出，换能器壳体的内表面有4个支撑台阶，作为陶瓷片的定位面，陶瓷片与壳体间的胶粘接面较厚，形成了一声阻匹配层，实施过程中，胶内容易含有气泡，有悖于原则(3)。

26、另外，换能器在超声波流量计中的安置方式很重要，它影响着流量计的量程比r及其流量计的稳定性。而超声波立柱式流量计换能器的安置方式是目前超声波流量计的重要方式，也是本发明涉及的安置方式，就超声波立柱式流量计换能器的安置方式而言，如专利授权公告号cn 208921195 u，它对比斜插式换能器安装方式，如专利授权公告号cn201993129 u所述的结构，换能器间的声程要长，量程比r得到一定的提高，换能器也便于安装，容易形成多声道模式。但是，从现有专利分析来看，目前常用频率1mhz的换能器为凸形结构，其外径φ17mm×φ21mm，对于换能器在换能器安装柱上固定，采用金属板压住、螺丝固定、密封圈密封的方式，因此导致换能器安装柱较粗。而换能器安装柱安装于换能器柱安装座内，这样势必导致安装座很粗；这种柱状换能器安装结构是将换能器安装柱即换能器安装座对称地排列在流量计金属管体外侧，靠近法兰的位置，且要不影响法兰上螺栓的安装；由于换能器安装柱较粗，而其上安装的换能器的发声面位置在安装柱的一侧，是背离法兰方向的，所以，一对对射式换能器的两个发声面间的距离相对于采用较细的换能器安装柱就短，也就是有效声程相对短，流量计量程比r值相对要小，对于规定了长度的流量计而言，影响的占比不能忽视。

27、沿用现在常用的1mhz凸形换能器，尺寸大，其在换能器安装柱上安装的方式为用金属板压住、螺丝固定的形式，所以只能用较粗的换能器安装柱安装，用这种方式通常安装柱的直径约为30mm，如专利授权公告号cn 208921195 u中的图5所示。

28、综上所述，对于适用于超声波流体测量、计量的立柱对射式流量计来说，现有技术还不能满足上述对超声波换能器制造的九条技术导则的要求；在换能器外形配合流量计的安装方面，常用的只有“凸”形，形状单一，在换能器安装柱中安装后，安装柱不利于声程最大化，即获得更大的量程比r目标。

29、对于超声波换能器而言，如何按照换能器制造的九条技术导则要求，提出一种适配超声波立柱对射式流量计的换能器，正是本文要实现的技术目标。

技术实现思路

1、从上述对现有技术的超声波换能器专利分析可知，(1)为了适应于声阻适配，若采用金属层作为压电陶瓷发声面的壳体保护层，为了忽略其阻抗不能匹配的缺陷，其金属层只能选择为薄膜。在实际应用中，如果管道内产生瞬间正、负压冲击(比如高速流动流体突然中断或带压管道破裂)，特别是该过程中负压产生拉力会造成换能器金属膜变形或脱离(不是脱落)，匹配层与陶瓷片的表面间进入空气或出现真空(如产生微米级的间隙)，那么匹配层的声阻匹配会永久损坏，换能器报废；(2)对于换能器陶瓷片电极引线方式，如果陶瓷片的负电极(前面、发声面)通过陶瓷片侧面通至陶瓷片正电极(后面) 焊接引出线，那么，两个电级的引线都在一个电极面(正极面)上，这种方式，虽然方便了引出线的焊接，但减少了陶瓷片正极的发声面，换句话，就是按照换能器陶瓷片直径尺寸来说，其有效电声转换效率变低，导致声波传播距离变短；(3)为了保持陶瓷片前、后镀银面的完整，在正极表面(陶瓷片前面)焊接引出线后(目前采用焊接引出线仍然是最可靠的)，需要给这焊点高度留出位置，以便胶粘时能保持陶瓷面的平整，所以，换能器壳体的内表面设有支撑柱或台阶用以定位陶瓷片平面，这样做就造成陶瓷片与壳体间的胶粘接面较厚，通常大于0.5mm。较厚的胶层必然形成新的声阻抗匹配层，而且胶里面含有微小气泡(微米数量级)不容易排除，由于声波在气体与固体中的传播速度相差数倍，所以，这种偏差对换能器性能及其一致性影响很大(声波幅值衰减)，造成换能器参数需要严格筛选及配对才便于应用，加大了工作量；(4)“凸”形换能器普遍存在着其前部配套的密封圈，既起到密封作用又起到换能器发声面的定位作用，如果密封圈变形将影响密封效果及声波的传播方向，造成流量计漏水及声波信号接收困难；(5)“凸”形换能器在超声波立柱对射式流量计的换能器安装柱中的安装方式占用的空间较大，使用的换能器安装柱较粗，所以，一对对射式换能器的两个发声面间的距离相对于较细的换能器安装柱就短，对于规定的流量计长度来说，也就减小了有效声程，降低了流量计量程比r值。

2、综上所述，要克服现有技术存在的弊端，制造出品质、性能高且稳定，适应流量计对流体测量应用的换能器，必须1)从选择正确的压电陶瓷片的封装材料选择入手，使其前端有足够厚度，在保证耐正、负压冲击的情况下，利于声阻匹配，保证声波传播强度接近最大值；2)为了保障陶瓷片两电极面完整，要解决现有陶瓷片前端负极电极引出线焊接点的高度直接影响了胶粘面高度这一难题，即粘胶层可以尽可能的薄到被忽略，不参与声阻匹配的苛刻要求，以及容易减少或去除胶体内所含有的微小气泡，保障换能器的性能及其批量的一致性好；3)改变换能器保护壳体的形状，即换能器能准确定位又能安装在流量计中有良好的密封性能，且能够方便适配超声波立柱对射式流量计最优化量程比的特点。

3、为了进一步说明技术方案，本案以声波传播理论为指导，针对超声波换能器匹配材料的选择及其匹配厚度参数的确定，提供以下关系推导和应用结论:

4、(一)压电陶瓷片与封装材料层匹配的理论推演：

5、当压电陶瓷体振动发声面的尺寸远大于声波波长时，可以认为其发出的纵波声波为一束有指向性平面波，以下在遵从理想流体媒质的三个基本方程即运动方程、连续性方程和物态方程条件下，仅对平面波声压及声强的透射性进行分析推演。

6、如附图2所示，声波从介质1传播入射到介质2、介质3，假定声波垂直入射，且三种媒介的声特性阻抗都不相同，第二种介质的厚度为d，那么声波在界面上会产生透射和反射，设定p0为入射波声压，pr为反射波声压，pt为透射波声压，那么，可以通过对代表声波传播特性的声压p来推演声压透射系数tp及声强透射系数ti的分析结果，得到声波在媒介中传播的有效透射关系 (声波在界面上的反射关系不在此展开讨论)。

7、按照定义，声压的透射系数tp：

8、

9、上式中，p1t、p3t为声波在介质1和介质3中的透射声压；z1、z2、z3为介质1、介质2和介质3的特性阻抗；k2为声波在介质2的园波数；d为介质2 的厚度，j为复数表达形式。

10、声强的透射系数ti：

11、

12、将上式变换得等式：

13、

14、由匹配层厚度d的变化，可得到以下声强的透射系数结论：

15、1)当时，即超声波垂直入射到两侧介质不同的中间薄层时，若薄层的厚度为半波长的整数倍，则透过薄层的声强透过率与薄层的性质无关。这种情况下，压电陶瓷片与保护壳之间的透射波通常小于最大值。

16、2)当且时，则有 ti＝1，即超声波完全透过,理论上就没有反射波了，这也就揭示了常规换能器封装时匹配层厚度及材料特性阻抗的最佳选择。

17、3)当d＜＜λ时，同样有即透射声强与薄层性质无关，而仅与保持两侧介质的声阻抗相关。

18、(二)若换能器置于水中，压电陶瓷片与各种封装材料及其匹配状态的关系：

19、对于超声波流量计在水计量领域的应用，压电陶瓷材料选pzt-8经封装后的换能器置于以水为介质当中应用匹配，其材料特性阻抗z3，换能器发射频率为 1mhz，为了让声波全部透射(反射波为0)，理论上匹配层厚度为声波在匹配层中波长的四分之一，根据上述等式(c)可知，声能量透射系数随匹配材料特性阻抗的变化关系曲线，如附图3所示。

20、图3解读如下：

21、a、b为曲线与直线的两个交点，c点为声能透射系数为1时的最佳匹配点。

22、(1)图3中的水平直线表示压电陶瓷未加匹配层时声能量透射系数值的大小。

23、(2)图3中的曲线表示压电陶瓷加入匹配层后声能量透射系数值随匹配材料特性阻抗的变化关系的曲线。

24、(3)当匹配材料的特性阻抗z2在b点z1与a点z3之间取值时，匹配层的加入有效地增大了换能器的声能辐射效率，且当时匹配效果达到c点最佳，声能透射系数为1。

25、(4)当匹配材料的特性阻抗z2大于z1(b点)或者小于z3(a点) 取值时，加入匹配层会使压电陶瓷和水之间的阻抗失配，声能透射系数小于不加匹配层的情况。

26、(三)在水中压电陶瓷片与某些封装材料匹配的应用分析：

27、(以下对各种材料参数取值为参考值)

28、对于水zw：声速c＝1500m/s；密度ρ＝1.0×103kg/m3；ρc＝1.5×106mks (瑞利)

29、对于pzt-8，zpzt：声速c＝4100m/s；密度ρ＝6.50×103kg/m3；ρc＝26.6 ×106mks(瑞利)

30、对于某种pps，zpps：声速c＝3000m/s；密度ρ＝1.7×103kg/m3；ρc＝5.1 ×106mks(瑞利)

31、对于不锈钢，zs：声速c＝5660m/s；密度ρ＝7.90×103kg/m3；ρc＝44.7 ×106mks(瑞利)

32、应用分析：

33、1)当匹配材料的特性阻抗z2等于zpzt或zw取值时，加入的匹配层相当于不存在，匹配性能差。

34、2)当匹配材料的特性阻抗z2大于zpzt或小于zw取值时，加入匹配层会使压电陶瓷和水之间的阻抗失配，声能透射系数小于不加匹配层的情况。由于不锈钢的特性阻抗zs大于pzt-8的特性阻抗zpzt，为了使不锈钢不至于严重影响与pzt-8的阻抗匹配，必须将不锈钢匹配层尽可能地减薄，如专利授权公告号：cn 202471148 u公布一种换能器，由金属层作为压电陶瓷发声面的壳体保护层，其权利要求3明确，金属保护层的匹配厚度小于等于0.1mm。实际应用中其金属层的厚度按照声强的透射系数结论3，即d＜＜λ时确定，实际应用中常选择0.05mm。当d＜＜λ时，尽管金属保护层可以做到被忽略，不影响匹配，但是，根据声强的透射系数结论3)，这种特性阻抗匹配的性能很差；而且，在这种应用情况下，管道内一旦出现压力急剧变化，薄层不锈钢极易受到变化挤、拉力而变形或损坏，导致换能器失效。

35、专利授权公告号：cn 204944595 u公布一种塑料封装换能器，从其附图1、2中可明确看出，换能器壳体的内表面有4个支撑台阶，作为陶瓷片的定位面，这是为了避让负极引线的锡焊接点高度，所以，陶瓷片与壳体间的胶粘接面较厚。换能器的陶瓷片间通常需要胶粘连接，但是胶层如果太厚，一是其特性阻抗需要与pzt-8及pps等材料匹配；二是有厚度的胶中易含气泡不易排除，这会严重影响声传播特性(声在胶和空气中传播速度相差数倍)，换能器一致性难以保障，所以，粘胶层要越薄越好，即做到d＜＜λ。

36、3)如果选用pps作为压电陶瓷的匹配层，而且胶粘层很薄可以忽略，那么由于zpps值在zpzt和zw之间，所以依照等式(c)，只要满足则有透射波声强ti处于匹配状态，如果做到 z2接近那么匹配效果更佳。

37、4)应用工程塑料如pps、peek制造换能器外壳体是目前换能器应用的主要方向。

38、因为，以pps、peek为代表的声特性阻抗易与压电陶瓷和水材料适配，不但其特性稳定，而且它还可以根据在应用中不同的安装需求，改变外部结构，以做到更好的适配不同类型的流量计，使其计量参数最优化。

39、本发明遵从本案提出的九条技术导则和以超声波换能器匹配关系理论推论入手，对压电陶瓷与保护外壳的阻抗匹配特性、胶粘厚度、电极引线和换能器与流量计基表的安装适配等重要方面进行改进升级，寻求克服现有金属薄层换能器保护壳体的适应性差、工程塑料壳体胶粘层太厚、换能器外壳体与流量计基表有密封、定位合二为一情况的耐久性差问题，提出本发明的如下技术方：

40、(1)以工程塑料如pps、peek、psf制造换能器外壳体的声特性阻抗匹配材料并对材料的匹配厚度做精确计算适配。

41、(2)将胶粘层厚度降至最薄，即将压电陶瓷负极焊接点安置于陶瓷片边沿，在换能器壳体内侧前端留出安置电极引线锡焊接点的环形槽，这样，可使换能器压电陶瓷片与外保护壳体前端内侧间的胶粘厚度小于0.1mm，能做到有效排除胶里面的空气。

42、(3)在换能器壳体内侧边沿，设置陶瓷片负极引线的引出线槽，方便引出线。

43、(4)换能器压电陶瓷片背面，留有空气或吸声层，延时或吸收反射波。

44、(5)利用工程塑料可塑特点，改变换能器壳体的外部结构，使其密封、定位分离，能更方便适配超声波立柱对射式流量计的换能器安装柱的安装。

45、实施以上的技术方案所得到的显著益处是：(1)换能器外壳体选择工程塑料如pps、peek、psf材料，并按照压电陶瓷匹配层特性阻抗适配理论，对匹配层厚度进行准确的计算适配，尽可能使匹配层特性阻抗关系接近即达到声波透射幅值最大化，声波能传播的更远；(2)设置能容纳压电陶瓷负极焊接点的安置槽，两面可紧贴，胶层薄，容易做到排除胶粘层内的空气，提高换能器参数的一致性；(3)换能器内设置陶瓷片负极引线的引出线槽，方便引出线，利于封装工艺标准化；(4)换能器压电陶瓷片背面(正极)，留有空气或吸声层，使反射波不会干扰换能器正向发射波；(5)工程塑料的应用，使换能器壳体的外部结构，减少了配件使用且能够有效密封、定位及其与流量计基表的适配，提高流量计的整体性能。

46、本发明为一种适配超声波立柱对射式流量计的换能器，其特征是:包括一种适配立柱安装的换能器，以及安装有所述换能器的超声波立柱对射式流量计。所述换能器包括换能器壳体结构件、陶瓷片等；超声波立柱对射式流量计包括进水口法兰、出水口法兰、管体套管、换能器安装柱固定座a、换能器安装柱固定座b、换能器安装柱、换能器、信号线护盖、仪表盒等。所述换能器壳体结构件中部有盲孔，盲孔底部有粘贴压电陶瓷片的底部平面，该底部平面外圈为环形凹槽；所述底部平面上粘接压电陶瓷片，压电陶瓷片的两面为两个电极即负极、正极，其上焊接有负电极引出线和正电极引出线且经电性连接至转接pcb上，转接pcb正电极面上还焊接有换能器信号线，该信号线通过换能器安装柱内部的引线孔从换能器安装柱的上端面引出，通过信号线护盖的内部的信号线护盖走线槽引至仪表盒内的积算电路pcb上电性连接；所述的换能器安装于超声波立柱对射式流量计的换能器安装柱上，换能器安装柱分别安装于换能器安装柱固定座a和换能器安装柱固定座b内，所述换能器安装柱固定座a及b各自两两对称，且位于靠近进水口法兰和出水口法兰内侧的管体套管外的两侧；由于改进了换能器的外形结构，使其安装简单且更适配换能器安装柱；故，能做到换能器安装柱及其换能器安装柱固定座a、和b的直径减小，在一对对射式换能器的发声面间的声程便长，因此，按照超声波流量计量程比r与一对换能器间的有效声程成正比的结论可知，安装这种换能器的超声波立柱对射式流量计的量程比可以做到最大化，从而该对射式流量计有较宽的流体计量量程范围。

47、如图4、5所示，所述换能器由换能器壳体结构件和内部组件组成；所述的换能器壳体结构件圆形筒状结构的内部为盲孔，盲孔底部为底部平面，用于粘接压电陶瓷片，为了做到所述压电陶瓷片与盲孔底部平面间粘接胶层尽可能的薄，采取在所述盲孔底部平面的外圈设置有环形凹槽，该环形凹槽用于容纳压电陶瓷片负电极引出线焊接点；所述环形凹槽的深度大于压电陶瓷片负电极引出线焊接点的高度，这样就可保证压电陶瓷片负极平面与所述盲孔底部平面能紧密胶粘贴合，做到胶层粘接面薄，胶层内无法存留气泡。根据上面所述声强的透射系数结论3可知，当d＜＜λ时，有即透射声强与薄层性质无关，而仅与保持两侧介质的声阻抗相关。

48、如图1、5所示，所述压电陶瓷片负电极引出线由陶瓷片侧面引至转接 pcb上，为了有空间方便该负电极引出线引出，在圆形筒状结构内壁对应电极引出线的侧面位置外侧，设置了向外凸出结构，与此对称，压电陶瓷片正电极引出线端也留有内部向外凸出结构，方便将引出线连接到转接pcb上，该凸出结构从筒状结构内盲孔的上端一直通至下端环形凹槽位置。

49、如图5所示，为了使转接pcb与压电陶瓷片正极间保持1～3mm的间距，在换能器壳体结构件的圆形筒状结构内壁所述由内部向外凸出结构中，位于上端的空间较宽、下端至环形凹槽一段较窄(能够满足陶瓷片负极引出线通过即可)，二者交接处形成转接pcb安装的高度定位面，转接pcb安装于此高度定位面上；压电陶瓷片在受高频电信号驱动后，振动在两表面向正(陶瓷片负极)、反(陶瓷片正极)两个方向同时产生超声波，为了阻止反方向的反射波干扰、叠加正向波，故通常高度定位面即转接pcb与压电陶瓷片正极间保持 1～3mm的距离。例如，1mhz声波在1mm间距反射后，通过2mm距离(反射波) 所花费时间为5.9×10-6秒(空气中)，而陶瓷片正向波(负极)，在pps匹配层里发送一个完整波所花费的时间大约为10-6秒(1微妙)，所以反射波不会对正向波的前5个波有干扰，如果时差电路在精度计算中需要采样更多的整数波，就需要拉开转接pcb与压电陶瓷片正极间的距离，以便反射波有更多延时；如果在压电陶瓷片正极与转接pcb间填充沥青，沥青可以充分吸收、消减反射波能量，任何反射波都将不会干扰正向波；因此，对于通过采用更多波时的反射间隔的计算，都将能保障计时的准确性。

50、如图1、5所示，对应所述圆形筒状结构内壁有内部向外凸出结构及其转接pcb安装高度定位面；圆形转接pcb外圆两侧也有对称的pcb凸形结构，对应固定于所述定位面上；所述转接pcb凸形结构中间有贯穿转接pcb的pcb 凸形结构细缝，方面压电陶瓷片正、负电极引出线穿过且在转接pcb上焊接。

51、如图1、6所示，所述圆形筒状结构有向外凸出结构，此结构占用换能器在换能器安装柱上的纵向空间(即信号线的走线方向)，所以不会因此加粗换能器安装柱的直径。

52、如图5、7、9所示，所述转接pcb正电极面上焊接有换能器信号线，该信号线通过换能器安装柱内部的引线孔从换能器安装柱的上端面引出，通过信号线护盖的内部的信号线护盖走线槽，引至仪表盒内的积算电路pcb上电性连接.

53、如图5所示，需要对压电陶瓷片相匹配的换能器壳体结构件的匹配层进行计算：根据声强透射系数的结论2，假如换能器是置于水中应用，那么选择的工程塑料材料，尽量使其特性阻抗z2做到接近或者等于并且，对匹配层厚度 d进行计算，当匹配最佳，通常厚度d有多个取值，一般取值要能够满足在管道内有最大正、负压差时不变形即可，比如，对于2mhz、φ8mm陶瓷片，其保护层pps厚度d按上述计算，常规选取大于1mm(根据管道内的不同压力要求)的匹配值，配合的超声波声强的透射系数较大，声波能传播较远。

54、所述换能器壳体结构件是以工程塑料如pps、peek、psf等声特性阻抗匹配材料注塑制造；所述的换能器安装柱是由工程塑料pps、ppo、ppa、pa66注塑制造。

55、所述换能器与换能器安装柱上面的换能器安装孔之间的连接：在换能器安装柱上的换能器安装孔底部及侧面涂胶，再将换能器插入固定，待胶干后，即达到密封、定位固定的效果；也可以先涂胶粘接，然后用激光对换能器外边沿与换能器安装孔沿之间焊接密封。由于换能器在管道内主要会受到外侧向里的压力，所以，对换能器而言，只会受由外部向内推动力，故，用胶粘及激光焊接固定定位和密封不但强度足够而且省去了密封圈，提高了密封、定位的安全性。

56、如图8、9、10所示，所述的换能器安装于超声波立柱对射式流量计换能器安装柱上，所述换能器安装柱分别安装于换能器安装柱固定座a和换能器安装柱固定座b内，所述换能器安装柱固定座a及b各自两两斜着对称且位于靠近进水口法兰和出水口法兰内侧的管体套管外的两侧；大口径超声波立柱对射式流量计管体套管外侧上方，在靠近进水口法兰内侧安装有压力传感器，压力传感器安置在进水端，其压力探头部分不外露于管体套管内部，所以不影响流量计对流体流动的测量；在靠近出水口法兰内侧安装有温度传感器，温度传感器探头伸出至管体套管内的中部，温度传感器安置在出水端，所以其测温杆不会影响流量计对流体流动测量的干扰；大口径流量计基表内换能器安装柱上的换能器为成对按照不同高度分层排列的，每层之间由分区导流隔板隔开，这样的结构能将流过管体的流体整流，抗湍流干扰，便于分层精确测量流体的流速，最终可计算得到精确的流量计的整体流速及流量值。

57、如图4、7所示，换能器信号线从换能器后部u形缺口引出，方便在换能器安装柱内走线。

58、如图10所示，所述的换能器安装柱的安装位置与管体套管内壁间，最小距离保持1mm左右，即管体套管内壁与换能器柱的最近距离的间隔厚度；从而，换能器安装柱整体不外露于流量计管体套管的内侧，其目的是，内壁保持完整，这样的结构可大幅减少了流量计管体内壁的损伤，保证流量计在低流速时测量的稳定性。

59、又如图10所示，按照专利授权公告号cn 208921195 u中的图3所示，如按常规选用1mhz、凸形换能器，其安装柱的直径为φ30mm左右；如果按照本发明采用的外形结构为上、下等径的筒形，频率2mhz的换能器，其安装柱的直径可以做到φ16mm，那么，如果换能器安装柱固定座a和b的边沿，相对法兰的距离保持不变情况下，相对来说，换能器安装柱上的一对换能器发声面间的距离增加了2×(30-16)＝28mm，按照导则(6)结论，即声程变长了28mm，提高了量程比。

60、如图8、9所示，信号线护盖位于换能器安装柱固定座a和换能器安装柱固定座b、压力传感器安装座、温度传感器安装座的上方并与这些安装座外径以筒状环形相扣，其中间内部有信号线护盖走线槽并一直通到仪表盒固定座外圈，压力及温度传感器和换能器信号线再从仪表盒底部进入仪表盒内部与积算电路pcb电性连接。

61、上述筒状换能器及其装配结构，形成一个完整的超声波立柱对射式流量计，该流量计，不但省去了换能器的密封圈，而且换能器有可靠的定位保障，换能器发声面间的距离能做到最大化且保持永久不会改变；在减小了换能器安装柱直径后，使得两个换能器安装柱可以尽可能地靠近法兰安装，从而使一对换能器的发声面间距离，即声程达到尽可能的最大，由此按照超声波流量计量程比r与一对换能器间的有效声程成正比的结论可知，安装这种换能器可使超声波立柱对射式流量计的量程比最大化和性能参数的稳定可靠，从而使该超声波立柱对射式流量计的批量生产有较高的一致性，流量计也达到了较宽的流体计量量程比。

62、综上所述，本发明成功克服了现有超声波换能器的技术缺陷，经过理论推演及对其结论的实际应用，可使超声波换能器的性能得到大幅提升，适配于一种具有较大量程比和具有批量一致性高的超声波立柱对射式流量计结构。对于以上所述全新结构的换能器，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和进步，表现为：

63、第一，提出了在遵从理想流体媒质的三个基本方程即运动方程、连续性方程和物态方程条件下，对平面波声压及声强的透射性进行分析推演并得到声强透射系数ti的关系式，从而可对中间介质层匹配厚度进行了应用分析，得到了匹配层及其透射波声强在三种情况下的3个结论，由此改进换能器的性能。

64、第二，根据结论3，即当匹配层厚度d＜＜λ时，透射声强与薄层性质无关，仅与保持两侧介质的声阻抗相关这一结论，应用于压电陶瓷片与匹配层间的粘接胶层厚度，可知，胶层应当尽可能薄。因此，为了解决压电陶瓷片负极引线有焊点影响粘接的情况，在换能器壳体结构件中部圆形筒状结构盲孔底平面的外圈设置有环形凹槽，该环形凹槽能满足容纳压电陶瓷片负极的电极引出线焊接点高度，从而可使压电陶瓷片负极与匹配层间紧密贴合，粘接胶层很薄，避免了胶层阻抗匹配的影响以及较厚胶层含有气泡的影响，使换能器的一致性好。

65、第三，在换能器壳体结构件中部圆形筒状结构内侧，对转接pcb进行了高度定位，这样可以根据需求调整高度，避免陶瓷片背面的反射波干扰正面的测量声波。

66、第四，换能器外壳体应用工程塑料如pps、peek、psf材料制造，外形结构为上、下等径的筒形，这样，除了利于和压电陶瓷片间阻抗匹配外，也便于将壳体做成能适配超声波立柱对射式流量计的换能器安装柱上安装，做到比目前安装的凸形换能器，其换能器安装柱的直径大幅减小，同时，也更好地解决了换能器密封与定位不稳定的问题，不但省去了换能器的密封圈，而且换能器定位可靠。

67、第五，换能器安装柱是由工程塑料pps、ppo、ppa、pa66注塑制造的，所述换能器与换能器安装柱a和b上换能器安装孔之间的连接为胶粘或者激光焊接，用这种方法对换能器固定定位和密封不但强度足够而且省去了密封圈，提高了密封安全性。

68、第六，在换能器壳体结构件的圆形筒状结构内壁设置了转接pcb安装的高度定位面，高度定位面即转接pcb与压电陶瓷片正极间保持约1～3mm的间距，这样可以避免压电陶瓷片背面的反射波干扰正面波，提高检测波的准确性。

69、第七，换能器发声面间的距离做到最大化且永久不会改变：等径筒状换能器在减小了换能器安装柱直径后，按照超声波流量计量程比r与一对换能器间的有效声程成正比的结论可知，安装这种换能器可使超声波立柱对射式流量计的量程比最大化和性能参数稳定可靠，从而使该超声波立柱对射式流量计的批量生产有较高的一致性。

70、第八，根据声强透射系数的结论2，可对压电陶瓷片相匹配的材料匹配层厚度进行精确计算适配，假如换能器是置于水中应用，那么选择工程塑料的材料，尽量使其特性阻抗z2做到接近或者等于并且，对匹配层厚度d 进行计算，当超声波的声强透射系数较大，声波能传播较远。

71、第九，本发明的超声波大口径立柱对射式流量计的换能器安装柱上的换能器为成对按照不同高度分层排列的，每层之间由分区导流隔板隔开，这样的结构能提高抗流体湍流干扰，并且便于分层精确测量流体的流速，最终计算得到流量计的整体流速及流量值。