一种流量计用超声波传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种流量计用超声波传感器，包括由压电元件模块与虚拟压电元件模块共同组成的压电元件、壳体、底座、发声面接地电极、侧面接地电极、背面接地电极、驱动电极、接地电极引线、驱动电极引线、接地电极端子、驱动电极端子。其中工作原理是在规定截面积的流体流路上下游分别安装一个超声波传感器，上下游超声波传感器一个发出超声波、一个接收超声波，交替工作，超声波在顺逆两向传输时与流体速度有叠加，这样顺逆两向超声波传播时间就存在时间差，依次可以计算流体流速。本实用新型与现有技术相比，通过调整压电元件输出超声波的强度分布，改善超声波接收感度特性的非对称性，可以提高超声波流量计视察信号的信噪比（S/N），提高流量测量的精确度。
【专利说明】一种流量计用超声波传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波传感器，具体地讲是一种流量计用超声波传感器。
【背景技术】
[0002]众所周知，超声波流量计是测量气体、液体等流体流量的装置，而超声波传感器是超声波流量计的关键件之一。当采用时差法测量流体流速时，其中工作原理是在规定截面积的流体流路上下游分别安装一个超声波传感器，上下游超声波传感器一个发射超声波、一个接收超声波，交替工作，超声波在顺逆两向传输时，其传播速度与流体速度有叠加，这样顺逆两向超声波传播时间就存在时间差，依此可以计算流体流速，进而得出流量值。
[0003]图1、图2表示的是目前采用超声波传感器测量流速的工作原理。图5是现有技术超声波传感器说明图。图1、图2中,超声波传感器某一点发出的速度为c的超声波以一定指向角Θ发射，超声波呈圆盘状向超声波接收侧发射，且圆盘状的截面积由小到大。图1与图2的区别在于，图1中超声波发声方向与流体流速方向一致(顺向)，图2中超声波发声方向与流体流速方向相反(逆向)。由图1、图2可知,无论流体流速方向与超声波方向是否一致，超声波到达接收侧的时间都会存在一个时间差，即，因为存在指向角Θ，所以沿中心线方向的超声波到达时间要短于超声波到达周边区域的时间，且顺向时间差大于逆向时间差，层流状态比紊流状态明显。
[0004]这样，就存在以下两个问题:
[0005](I)超声波传感器的作用是将机械能转换为电能，也就是说将脉冲形式存在的超声波信号转换成电脉冲信号，接收的能量不够集中、主要是中心部位与周边部位存在接收信号强度的差异，所以，传感器存在接收信号强度的非均匀性，就会降低接收信号的信噪比；
[0006](2)顺、逆两向虽然都存在非均匀性，但是顺、逆两向的非均匀性不一致，这就产生了两个传感器接收信号强度的非对称性，直接影响信号发生电路与信号接收电路处理信号的效果。
[0007]图3是顺逆两向接收信号强度非对称性与非均匀性的说明图，直线表示接收信号时间差与流体流速之间的关系，曲线表示接收信号强度与流体流速之间的关系。从图3的直线可以看出其物理意义是，最左侧表明超声波到达接收面的时间差最小，最右侧表明超声波到达接收面的时间差最大。从图3中的曲线可以看出其物理意义是，最左侧表明超声波接收面接收信号强度最大，最右侧表明超声波接收面接收信号强度最小。
[0008]以上流量计用超声波传感器的缺点是，接收侧超声波传感器接收到的超声波信号强度不均匀，顺逆两向分别接收超声波信号时，两个超声波传感器接收到的信号不对称。不均匀会导致信噪比降低，不对称会增加信号处理电路的负担，这两个问题都直接影响到流量测量的精确度。
【发明内容】
[0009]本发明的技术任务是提供一种提高接收信号对称性与均匀性，改善超声波信号信噪比，进而提高流量计检测精确度的一种新型超声波传感器。
[0010]本发明的技术任务是按以下方式实现的。
[0011]一种流量计用超声波传感器，包括压电元件、壳体、底座、粘接层、缓冲层、接地电极、驱动电极、接地电极引线、驱动电极引线、接地电极端子、驱动电极端子；所述底座上设有壳体,底座与壳体之间形成腔体,腔体内部、从底座至壳体顺次设有缓冲层、表面设有驱动电极与接地电极的压电元件、粘结层；驱动电极端子经驱动电极引线与驱动电极相连，驱动电极端子穿透出底座并与底座成一体的结构；接地电极端子经接地电极引线与接地电极相连，接地电极端子穿透出底座并与底座成一体的结构；其特征在于压电元件整体呈圆盘状，压电元件包括圆环状的压电元件模块和其内侧圆盘状的虚拟压电元件模块。
[0012]一种流量计用超声波传感器，其特征在于驱动电极印刷在压电元件的背面；接地电极为弯折状，分为连为一体的发声面接地电极、背面接地电极、侧面接地电极，发声面接地电极印刷在压电元件的发声侧，背面 接地电极印刷在压电元件的背面、位于驱动电极的同一个面，侧面接地电极印刷在压电元件的侧底面。
[0013]一种流量计用超声波传感器，其特征在于接地电极端子经接地电极引线与接地电极的背面接地电极相连。
[0014]一种流量计用超声波传感器，其特征在于压电元件中间位置的圆盘形虚拟压电元件模块为无压电效应的圆盘形虚拟压电元件模块；压电元件周边位置的圆环状的压电元件模块为有压电效应的压电元件模块。
[0015]一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块由同一种压电陶瓷材料做成。
[0016]一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块由不同的压电陶瓷材料做成。
[0017]一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块的厚度相同或者压电元件模块的厚度大于虚拟压电元件模块的厚度。
[0018]一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块是相互独立的模块，之间有间隙，间隙内设置有填充材料。
[0019]一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块为同一模块，之间不设填充物。
[0020]图11表示的是流体在不同速度段表现出的层流与紊流分布速度规律。r为轴心线流速，即流体最大流速，7表示面流速。两者之间的关系为:
[0021]
尾流:V v= 0.5
紊流:V/v= 0.75-0.9
[0022]为便于叙述我们以特征更为明显的层流为例，两个超声波传感器间距为人
[0023]顺流方向传播时，波在中间传播的时间为U+，沿0方向传播的时间为％ ,+，则:
[0024]
【权利要求】
1.一种流量计用超声波传感器，包括压电元件、壳体、底座、粘接层、缓冲层、接地电极、驱动电极、接地电极引线、驱动电极引线、接地电极端子、驱动电极端子；所述底座上设有壳体，底座与壳体之间形成腔体，腔体内部、从底座至壳体顺次设有缓冲层、表面设有驱动电极与接地电极的压电元件、粘结层；驱动电极端子经驱动电极弓丨线与驱动电极相连，驱动电极端子穿透出底座并与底座成一体的结构；接地电极端子经接地电极引线与接地电极相连，接地电极端子穿透出底座并与底座成一体的结构；其特征在于压电元件整体呈圆盘状，压电元件包括圆环状的压电元件模块和其内侧圆盘状的虚拟压电元件模块。
2.根据权利要求1所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于驱动电极印刷在压电元件的背面；接地电极为弯折状，分为连为一体的发声面接地电极、背面接地电极、侧面接地电极，发声面接地电极印刷在压电元件的发声侧，背面接地电极印刷在压电元件的背面、位于驱动电极的同一个面，侧面接地电极印刷在压电元件的侧面。
3.根据权利要求2所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于接地电极端子经接地电极弓丨线与接地电极的背面接地电极相连。
4.根据权利要求2所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于压电元件中间位置的圆盘形虚拟压电元件模块为无压电效应的圆盘形虚拟压电元件模块；压电元件周边位置的圆环状的压电元件模块为有压电效应的压电元件模块。
5.根据权利要求1所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块由同一种压电陶瓷材料做成。
6.根据权利要求1所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块由不同的压电陶瓷材料做成。
7.根据权利要求1所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块的厚度相同或者压电元件模块的厚度大于虚拟压电元件模块的厚度。
8.根据权利要求7所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块是相互独立的模块，之间有间隙，间隙内设置有填充材料。
9.根据权利要求7所述的一种流量计用超声波传感器，其特征在于组成压电元件的压电元件模块与虚拟压电元件模块为同一模块，之间不设填充物。
【文档编号】G01F1/66GK203785712SQ201420050177
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】王翥, 佟晓筠, 佟少强, 郭茂林 申请人:王翥