一种超声换能器外壳及超声换能器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种超声换能器外壳及超声换能器，所述超声换能器外壳包括密封配合的外套体和罩体，外套体由工程塑料制成，罩体由钛合金制成，外套体包括圆柱内环和圆柱外环，圆柱内环和圆柱外环之间设有环形槽，环形槽内设有连接柱，罩体上设有与连接柱配合的连接孔，外套体上的连接柱用于连接环形槽分割的圆柱内环和圆柱外环，并穿越罩体上的连接孔，配合紧密牢固；外套体的圆柱内环高于圆柱外环，有效延长了外套体与罩体的轴向结合长度，使用所述外壳的超声换能器，有效地改善了超声换能器的品质和性能，提高了超声波热量表和超声波水表的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿命。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种换能器，适用于热量表或水表，尤其适用于户用型超声热量表和 水表，具体的说，涉及一种超声换能器外壳及超声换能器，属于换能器【技术领域】。 一种超声换能器外壳及超声换能器
【背景技术】
[0002] 随我国国民经济的高速发展，对资源的需求越来越大，经历了世界性的金融危机 以来，为了保证我国国民经济的可持续发展，节约能源早已提上议事日程，国家加大了节能 力度，出台了相应的法律法规，集中供热计量收费和阶梯水价精确计量收费势在必行。
[0003] 我国集中供热计量收费热量表和阶梯水价精确计量水表，尤其是户用型超声热量 表和水表，随着我国科学技术水平的不断提高，和综合国力的不断增强，超声热量表和水表 开始大量应用，市场占有率逐步扩大；特别是超声热量表的市场占有率已达半数以上，而且 占有率逐年提1?。
[0004] 众所周知超声热量表和水表计量的准确度、稳定性和使用寿命取决于超声换能器 的品质、材料、设计、工艺等诸因素。我国计量用超声换能器起步晚、基础研究落后。超声 波在介质中的传播方式按波形划分，一般有下列几种，纵波、横波、表面波和兰姆波，由于气 体和液体的剪切模量为零，所以横波只能在固体中传播。超声换能器外壳不仅完成安装、定 位、密封等功能，而且直接影响超声波传播的幅值和强度、传播方向和波束的分布，决定了 超声换能器的性能和参数的优劣，直接影响到超声流量计的准确度、耐压强度、稳定性和可 靠性。因此超声换能器外壳的材料、结构是决定超声换能器品质的两大关键因素之一。
[0005] 目前，普通换能器外壳大都采用不锈钢、铜合金、工程塑料等材料，其存在耐压低 (< 1. 6MPa)，超声波衰减大，温度特性差(需要温度补偿，尤其是超声热量表)，压电陶瓷片 和换能器外壳亲和程度差，造成超声换能器失效和破坏，严重影响了超声流量传感器的使 用、推广和发展。
[0006] 目前常用的超声换能器通常采用提高供电电压的方法，提高超声输出信号的幅 值，其副作用为加大了电池的输出功率，缩短了使用寿命，尤其是大量使用的户用型热量表 和水表，因为不允许使用外接电源供电，无法实现利用提高供电电压的方法提高超声输出 信号的幅值。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的问题是针对以上问题，提供一种超声换能器外壳，解决了现有技 术中耐压低、超声波衰减大、温度特性差、与压电陶瓷片亲和程度差的缺陷，采用本发明的 换能器外壳后，具有耐压高、超声波衰减小、温度特性好、与压电陶瓷片亲和程度高的优点。
[0008] 同时，还提供一种超声换能器，具有使用寿命长、准确度高、一致性和可靠性高的 优点。
[0009] 为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种超声换能器外壳，其特征在 于：所述外壳包括密封配合的外套体和罩体； 所述外套体为工程塑料制成的筒状体； 所述罩体为钛合金制成的一端具有开口的空心圆柱体状。
[0010] -种优化方案，所述外套体包括筒状套本体，筒状套本体内部贯穿有圆柱内孔，筒 状套本体的外周设有环形沟槽。
[0011] 另一种优化方案，所述筒状套本体包括圆柱内环和圆柱外环，圆柱外环设置在圆 柱内环的外周，圆柱内环的高度高于圆柱外环的高度。
[0012] 再一种优化方案，所述圆柱内环和圆柱外环之间设有环形槽。
[0013] 进一步的优化方案，所述环形槽内设有连接柱； 所述连接柱沿外套体的圆周方向均布。
[0014] 再进一步的优化方案，所述环形沟槽设有两个。
[0015] 更进一步的优化方案，所述罩体上设有与连接柱配合的连接孔。
[0016] 本发明还提供一种超声换能器，其特征在于：所述超声换能器包括上述任意一项 所述的超声换能器外壳； 所述超声换能器外壳的腔体内从上往下依次装配有压电陶瓷片、衬垫和骨架。
[0017] 本发明采取以上技术方案，具有以下优点：所述超声换能器外壳包括密封配合的 外套体和罩体，外套体由工程塑料制成，罩体由钛合金制成，外套体包括圆柱内环和圆柱外 环，圆柱内环和圆柱外环之间设有环形槽，环形槽内设有连接柱，罩体上设有与连接柱配合 的连接孔，外套体上的连接柱用于连接环形槽分割的圆柱内环和圆柱外环，并穿越罩体上 的连接孔，配合紧密牢固；外套体的圆柱内环高于圆柱外环，有效延长了外套体与罩体的轴 向结合长度，本发明还提供一种使用所述外壳的超声换能器，有效地改善了超声换能器的 品质和性能，提高了超声波热量表和超声波水表的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿 命。
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 附图1是本发明实施例中超声换能器外壳的结构示意图； 附图2是本发明实施例中外套体的结构示意图； 附图3是本发明实施例中罩体的结构示意图； 附图4是本发明实施例中超声换能器的结构示意图； 图中： 1-外套体，la-圆柱内孔，lb-圆柱内环，lc-环形槽，Id-圆柱外环，le-上倒角，If-第 一环形沟槽，lg-第二环形沟槽，lh_下倒角，li_连接柱，lj_环形槽内圆柱面，lk_环形槽外 圆柱面，11-上端面，lm-圆角，2-罩体，2a-外圆柱面，2b-顶部外端面，2c-连接孔，2d-圆 角，2e-顶部内端面，2f-内圆柱面，2g-底部端面，3-超声换能器外壳，4-压电陶瓷片，5-衬 垫，6-骨架。
【具体实施方式】
[0020] 实施例，如图1所示，一种超声换能器外壳及超声换能器，所述超声换能器外壳3 包括配合使用的外套体1和罩体2,所述外套体1采用工程塑料制成，所述罩体2采用钛合 金制成，工程塑料制外套体1与钛合金制罩体2复合成型，所述复合成型方式可采用注塑、 热熔、热塑或压铸等手段实现，所述复合成型方式均为本领域内技术人员采用的常规技术 手段，故本实施例中不再赘述。
[0021] 如图2所示，所述外套体1包括筒状套本体，所述筒状套本体内部贯穿有圆柱内孔 la,筒状套本体包括圆柱内环lb和圆柱外环Id,圆柱外环Id设置在圆柱内环lb的外周，圆 柱内环lb的高度高于圆柱外环Id的高度，圆柱内环lb具有上端面11，圆柱内环lb的上端 面11与圆柱内环lb的外侧面连接处设有圆角lm，圆柱外环Id的上端面与圆柱外环Id的 外侧面连接处设有上倒角le，圆柱外环Id的下端面与圆柱外环Id的外侧面连接处设有下 倒角lh，圆柱外环Id的圆周方向上设有用于放置0形密封圈的第一环形沟槽If和第二环 形沟槽lg，所述第一环形沟槽If和第二环形沟槽lg的横截面为矩形，第一环形沟槽If和 第二环形沟槽lg的棱边均设有圆角，所述圆柱内环lb和圆柱外环Id之间设有环形槽lc， 环形槽lc的内侧具有环形槽内圆柱面lj，环形槽lc的外侧具有环形槽外圆柱面lk，所述 环形槽1C内设有连接柱li，所述连接柱li沿外套体1的圆周方向均布，连接柱li用于连 接圆柱内环lb和圆柱外环Id。
[0022] 如图3所示，所述罩体2为一端开口的空心圆柱体状，罩体2上设有连接孔2c，所 述连接孔2c沿罩体1的圆周方向均布，连接孔2c用于与外套体1上的连接柱li配合，罩 体2具有顶部外端面2b、顶部内端面2e、外圆柱面2a、内圆柱面2f和底部端面2g，底部端 面2g位于罩体2的开口端，所述顶部内端面2e与内圆柱面2f的连接处具有圆角2d，所述 罩体2上的圆角2d与外套体1上的圆角lm紧密配合。
[0023] 采用钛合金材料制造罩体，钛合金与压电陶瓷片的亲和度最好，在不同温度下压 电陶瓷片发射超声信号的幅值变化率最小，经试验，在20°C、50°C、90°C条件下，其它参数恒 定时压电陶瓷片发射超声信号的幅值分别为：670mV、690mV、660mV，其测试结果优于其它材 料的匹配，同时对超声信号的衰减率也远低于其它材料；采用钛合金罩体制造的换能器外 壳机械强度高，密封性能有大幅度提高，经试验在高温（160°C )和高压（5MPa)条件下，密封 可靠，无介质渗漏和压力下降，按EN1434-2014欧洲标准做4000次温度冲击(温度变化，低 温20°C,高温80°C )试验,顺利通过试验测试。
[0024] 工程塑料外套体，其材料之间的亲和度、连接强度、抗老化性、密封性均达到最佳 匹配，工程塑料分布位置不影响压电陶瓷片超声波主波束的特性，在超声波主波束范围内 无工程塑料结构体，且远离超声波主波束，因此超声信号不被衰减、屏蔽和干扰。
[0025] 换能器外壳使用钛合金罩与工程塑料外套复合成型，特别指出的是钛合金与工程 塑料是不能熔合的两种材料，又分别属于金属和高分子聚合物，要妥善解决两者之间的亲 和度、附着度(或粘合度)、机械强度和密封性等理化性能，本发明巧妙地使用了结构设计、 形体设计，有效地解决了所述问题，工程塑料外套体上部环形槽内外圆柱面之间设有与钛 合金罩体连接孔几何形状和尺寸相对应的连接柱，连接圆环状沟槽分割的圆柱内环和圆柱 外环，并穿越钛合金罩体上的连接孔，起到了"穿针引线"的作用，用工程塑料外套体来缝合 钛合金罩体；工程塑料外套体的圆柱内环高于圆柱外环，有效延长了工程塑料外套与钛合 金罩的轴向结合长度。
[0026] 本发明的推广和应用，将有效地改善了超声换能器的品质和性能，提高了超声波 热量表和超声波水表的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿命，更加适合于我国集中供 热和供水的现状，尤其随着国家建筑节能计量收费政策的推行，提高集中供热和供水计量 的法定仪表计量精度和改善流量特性有着极其重要的作用，也有着广阔的推广应用前景。
[0027] 如图4所不，一种超声换能器，包括超声换能器外壳3,超声换能器外壳3的腔体内 从上往下依次装配有压电陶瓷片4、衬垫5和骨架6。
[0028] 所述超声换能器，输出信号幅值稳定且合理，其超声输出信号的幅值温度特性平 坦，在20°C?90°C信号幅值变化彡30mV，工程塑料的空间分布不影响超声信号主波束的发 射和接受，钛合金对超声信号的衰减极低，有利于超声信号的发射和接受。
[0029] 所述工程塑料外套体和钛合金罩体合理的空间结构和位置设计，保证了所述超声 换能器的密封性能好，耐压特性和耐温特性同时得到提高，并通过了 EN1434-2014欧洲标 准做4000次温度冲击(温度变化，低温20°C，高温80°C )试验。
[0030] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可 以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种超声换能器外壳，其特征在于：所述外壳包括密封配合的外套体（1)和罩体 (2)； 所述外套体（1)为工程塑料制成的筒状体； 所述罩体（2)为钛合金制成的一端具有开口的空心圆柱体状。
2. 如权利要求1所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述外套体（1)包括筒状 套本体，筒状套本体内部贯穿有圆柱内孔（la)，筒状套本体的外周设有环形沟槽。
3. 如权利要求2所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述筒状套本体包括圆柱 内环（lb)和圆柱外环（Id),圆柱外环（Id)设置在圆柱内环（lb)的外周，圆柱内环（lb)的 商度商于圆柱外环（Id)的商度。
4. 如权利要求3所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述圆柱内环（lb)和圆柱 外环（Id)之间设有环形槽（lc)。
5. 如权利要求4所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述环形槽（lc)内设有连 接柱（li); 所述连接柱（1 i)沿外套体（1)的圆周方向均布。
6. 如权利要求2-5其中之一所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述环形沟槽 设有两个。
7. 如权利要求5所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述罩体（2)上设有与连 接柱（li)配合的连接孔（2c)。
8. -种超声换能器，其特征在于：所述超声换能器包括如权利要求1-7中任意一项所 述的超声换能器外壳； 所述超声换能器外壳的腔体内从上往下依次装配有压电陶瓷片（4)、衬垫（5)和骨架 (6)。
【文档编号】B06B1/06GK104117479SQ201410330500
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】袁燕飞 申请人:寿光市飞田电子有限公司