一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器的制作方法

1.本发明涉及换能器领域，具体是一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器。


背景技术：

2.应用于设计盐穴测腔声纳宽频换能器，需采用一体化高集成度设计，实现在高温高压环境下跨三种介质，卤水、空气和天然气的腔体表面到测腔声纳设备的距离测量。声纳测量技术是盐穴地下储气库腔体形态测量的唯一有效方法。声纳测量仪主要应用于深部盐矿地下储气库建设领域，通过超声波测量可获取盐腔的三维形态、体积、埋深等信息，发现腔体内部的异常变化，保证腔体质量，为储库运行参数的调整提供依据，保障储库的安全高效运行。
3.当前阶段盐腔监测手段较少，技术储备不足，核心声纳技术受国外垄断，一方面由于盐穴储气库属于新兴市场，测腔声纳技术没有规模化应用，其次储气库环境情况与国外存在差异，由于盐层深度导致温湿度及压力的提高，现在市场计划建设的盐穴储气库深度可达2000m，声纳测量装置需要耐受100℃及40mpa的高温高压环境，现役设备以及市场上可售的设备均不满足测试需求。
4.因此，本领域技术人员提供了一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器，以解决上述背景技术中提出的当前阶段盐腔监测手段较少，技术储备不足，核心声纳技术受国外垄断，一方面由于盐穴储气库属于新兴市场，测腔声纳技术没有规模化应用，其次储气库环境情况与国外存在差异，由于盐层深度导致温湿度及压力的提高，现在市场计划建设的盐穴储气库深度可达2000m，声纳测量装置需要耐受100℃及40mpa的高温高压环境，现役设备以及市场上可售的设备均不满足测试需求的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器，包括绝缘柱、支撑座和背衬层，所述支撑座的一侧设有基阵架，所述基阵架的一侧套接有防护外壳，所述基阵架的一侧设有压电振子参量阵，所述支撑座的外壁套接有包覆层，所述支撑座的底面设有绝缘柱，所述绝缘柱的内部设有电极线，所述支撑座和包覆层的内部设有背衬层、压电片、匹配层b、匹配层a和屏蔽层。
8.作为本发明的一种优选实施方式：所述压电振子参量阵位于防护外壳和基阵架之间，且防护外壳为透明外壳。
9.作为本发明的一种优选实施方式：所述压电振子参量阵位于表面灌注有匹配层材料和密封材料，基阵架可选用聚碳酸酯材料和聚四氟乙烯材料。
10.作为本发明的一种优选实施方式：所述背衬层、压电片、匹配层b、匹配层a和屏蔽
层之间逐层设置，且压电片与电极线和压电振子参量阵之间电性连接。
11.作为本发明的一种优选实施方式：所述支撑座、包覆层、背衬层、压电片、匹配层b、匹配层a和屏蔽层均位于基阵架内部。
12.作为本发明的一种优选实施方式：所述压电振子参量阵的阵元半径a为10mm，阵列半径r0为30mm，阵列边界半径rm为40mm。
13.作为本发明的一种优选实施方式：所述匹配层a和屏蔽层可选用耐高温环氧材料，压电片可选用pzt压电陶瓷材料。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器,提供一种宽带声纳换能器结构，使其能够应用于2000m以内地下空腔在100℃及40mpa环境下，天然气及卤水环境下，腔体距离即腔体到换能器距离的测量，进而通过多次距离测量获得整个腔体三维形状，小阵子均匀分布在圆内，形成阵列，每列和行的单元数不唯一，从而填充形成圆面，从中可以抽出不同单元并联形成子阵，从而控制子阵的发射频率可以形成参量阵的差频输出，能够在高温高压的天然气及卤水两种环境下的地下腔体测距，尤其是在跨介质环境下均能够进行远距离测量，填补国内在跨介质环境测量的空白。
附图说明
16.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
17.图1为一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器的整体的立体的结构示意图；
18.图2为一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器中的整体的内部的结构示意图；
19.图3为一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器中换能器基阵水中导纳计算曲线的示意图；
20.图4为一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器中换能器基阵水中发射电压响应计算曲线的示意图；
21.图5为一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器中能器阵水中接收电压灵敏度计算曲线的示意图；
22.图中：1、绝缘柱；2、电极线；3、背衬层；4、压电片；5、包覆层；6、屏蔽层；7、匹配层a；8、匹配层b；9、支撑座；10、压电振子参量阵；11、防护外壳；12、基阵架。
具体实施方式
23.请参阅图1-2，本发明实施例中，一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器，包括绝缘柱1、支撑座9和背衬层3，换能器圆形结构，内部有效尺寸直径约80mm，外壳结构为钛合金，内部结构为基阵架12，压电振子参量阵10布置在基阵架12中，表面灌注匹配层材料及密封材料，非金属基阵架12采用聚碳酸酯材料，可耐受120℃工作，如果工作温度更高，则替换为聚四氟乙烯材料，换能器辐射面可与外壳做成一体成型式，保证耐高温性能，换能器内部分为多个区域引线，方便参量阵的信号控制，低频的工作频率在4-15khz的范围内，支撑座9的一侧设有基阵架12，基阵架12的一侧套接有防护外壳11，基阵架12的一侧设有压电振子参量阵10，包覆层5外壳，用于保护装置，屏蔽层6用于屏蔽外部的电信号干扰，匹配层a7和
匹配层b8可选用耐高温环氧材料，匹配层a7和匹配层b8可以拓宽换能器工作频带，匹配层a7和匹配层b8的密度及声速乘积的声阻抗参数很大程度上决定了换能器基阵的带宽和发射电压响应，压电片4即压电振子，元件选取pzt压电陶瓷材料，等间隔排布，上下端为正负电极，与电极线相连接，背衬层3具有去耦作用，隔离相邻压电振子，防止压电振子之间互相干扰，电极线2是电极引线，连接压电振子与换能器外部电子系统，支撑座9的外壁套接有包覆层5，支撑座9的底面设有绝缘柱1，绝缘柱1的内部设有电极线2，支撑座9和包覆层5的内部设有背衬层3、压电片4、匹配层b8、匹配层a7和屏蔽层6。
24.请参阅图2，压电振子参量阵10位于防护外壳11和基阵架12之间，且防护外壳11为透明外壳。绝缘柱1包裹电极线，防止安装人员触电，支撑座9用于支撑以上各部分重量，包覆层5嵌套在整个换能器的外层，采用灌注工艺，将屏蔽层6、匹配层a7、匹配层b8、压电片4和支撑座9进行粘连，绝缘柱1包裹于电极线2表面，多个压电片4的正负极与电极线相连接，电极,2伸出换能器与外部电子系统连接，工作时，将所有的压电振子分为两部分，分别并联形成2个子阵。压电振子参量阵10位于表面灌注有匹配层材料和密封材料，基阵架12可选用聚碳酸酯材料和聚四氟乙烯材料。背衬层3、压电片4、匹配层b8、匹配层a7和屏蔽层6之间逐层设置，且压电片4与电极线2和压电振子参量阵10之间电性连接。支撑座9、包覆层5、背衬层3、压电片4、匹配层b8、匹配层a7和屏蔽层6均位于基阵架12内部。外部电子系统通过2条电极线，分别控制2个子阵中的各个压电振子进行振动，换能器的压电振子采用纵振模式，相同的辐射面和工作频率条件下，声源级比厚度振动模式的换能器要大3db以上，在直径80mm的圆面上，布置纵向压电振子，辐射面为3
×
3mm，2个子阵中的压电振子纵向振动，产生不同的辐射声场，发出不同频率的信号，同一时间发出的两个不同频率信号，经过声波衰减，产生差频声波，从而形成参量阵的差频输出，为了换能器在基频附近的宽带性能，在小阵子上面增加匹配层拓宽频带，匹配层的密度及声速乘积的声阻抗参数很大程度上决定了换能器基阵的带宽和发射电压响应，根据先前经验和目前常用的匹配层材料以及耐高温100℃的要求，最终选择了耐高温200℃高温，长期在160℃内坚硬的环氧材料作为换能器的匹配层，压电振子参量阵10的阵元半径a为10mm，阵列半径r0为30mm，阵列边界半径rm为40mm。匹配层a7和屏蔽层6可选用耐高温环氧材料，压电片4可选用pzt压电陶瓷材料，-3db的带宽可以实现70-120khz的范围，在100khz最大电压响应达到164db，换能器阵在100khz的接收电压灵敏度达到-171db，换能器阵在大于150khz以上仍然可以发射和接收近距离的信号。换能器采用耐高温压电元件，居里温度380℃，可以满足200℃正常使用，介电常数1700左右，耦合系数约0.6左右。
25.需要说明的是，本发明为一种陶瓷颗粒拼接成阵耐高温高压换能器，包括1、绝缘柱；2、电极线；3、背衬层；4、压电片；5、包覆层；6、屏蔽层；7、匹配层a；8、匹配层b；9、支撑座；10、压电振子参量阵；11、防护外壳；12、基阵架，部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
26.本发明的工作原理是：换能器圆形结构，内部有效尺寸直径约80mm，外壳结构为钛合金，内部结构为基阵架12，压电振子参量阵10布置在基阵架12中，表面灌注匹配层材料及密封材料，非金属基阵架12采用聚碳酸酯材料，可耐受120℃工作，如果工作温度更高，则替换为聚四氟乙烯材料，换能器辐射面可与外壳做成一体成型式，保证耐高温性能，换能器内
部分为多个区域引线，方便参量阵的信号控制，低频的工作频率在4-15khz的范围内，包覆层5外壳，用于保护装置，屏蔽层6用于屏蔽外部的电信号干扰，匹配层a7和匹配层b8可选用耐高温环氧材料，匹配层a7和匹配层b8可以拓宽换能器工作频带，匹配层a7和匹配层b8的密度及声速乘积的声阻抗参数很大程度上决定了换能器基阵的带宽和发射电压响应，压电片4即压电振子，元件选取pzt压电陶瓷材料，等间隔排布，上下端为正负电极，与电极线相连接，背衬层3具有去耦作用，隔离相邻压电振子，防止压电振子之间互相干扰，电极线2是电极引线，连接压电振子与换能器外部电子系统，绝缘柱1包裹电极线，防止安装人员触电，支撑座9用于支撑以上各部分重量，包覆层5嵌套在整个换能器的外层，采用灌注工艺，将屏蔽层6、匹配层a7、匹配层b8、压电片4和支撑座9进行粘连，绝缘柱1包裹于电极线2表面，多个压电片4的正负极与电极线相连接，电极,2伸出换能器与外部电子系统连接，工作时，将所有的压电振子分为两部分，分别并联形成2个子阵。外部电子系统通过2条电极线，分别控制2个子阵中的各个压电振子进行振动，换能器的压电振子采用纵振模式，相同的辐射面和工作频率条件下，声源级比厚度振动模式的换能器要大3db以上，在直径80mm的圆面上，布置纵向压电振子，辐射面为3
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3mm，2个子阵中的压电振子纵向振动，产生不同的辐射声场，发出不同频率的信号，同一时间发出的两个不同频率信号，经过声波衰减，产生差频声波，从而形成参量阵的差频输出，为了换能器在基频附近的宽带性能，在小阵子上面增加匹配层拓宽频带，匹配层的密度及声速乘积的声阻抗参数很大程度上决定了换能器基阵的带宽和发射电压响应，根据先前经验和目前常用的匹配层材料以及耐高温100℃的要求，最终选择了耐高温200℃高温，长期在160℃内坚硬的环氧材料作为换能器的匹配层，-3db的带宽可以实现70-120khz的范围，在100khz最大电压响应达到164db，换能器阵在100khz的接收电压灵敏度达到-171db，换能器阵在大于150khz以上仍然可以发射和接收近距离的信号。换能器采用耐高温压电元件，居里温度380℃，可以满足200℃正常使用，介电常数1700左右，耦合系数约0.6左右。
27.以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。