專利名稱：一種壓電陶瓷超聲波換能器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓電陶瓷超聲波換能器。
近年來，利用壓電陶瓷超聲波換能器在各種介質中測距、探傷，尤其是在空氣中進行測距、測物位料位的應用越來越廣泛。然而，由于超聲波在空氣中衰減很大，測量范圍受到限制，其根本原因就是換能器本身未經過有效的技術處理，所以一般的換能器都存在功率不夠大、靈敏度不高，抗干擾能力不強等問題，這大大地限制了壓電陶瓷超聲波換能器在測距方面的應用。
本實用新型的目的是提供一種發(fā)射功率大、靈敏度高、抗干擾能力強、測量范圍大，具有廣泛實用價值的新型壓電陶瓷超聲波換能器。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的1、為提高發(fā)射(或接收)功率增加壓電陶瓷片層數(shù)，即壓電陶瓷片采用多層結構，如2層、4層、6層或8層；2、為達到電阻抗匹配，外電纜通過匹配變壓器與壓電陶瓷片相聯(lián)，且壓電陶瓷片是與匹配變壓器并聯(lián)，當二者相匹配可使換器的電抗接近純阻性，從而大大地加強換能器的靈敏度并在相同的電壓下可取得最大的發(fā)射(或接收)功率；3、在壓電陶瓷片兩側加有匹配金屬塊，其作用是緊固壓電陶瓷片及使聲阻抗匹配，同時一側匹配金屬塊也是超聲波的發(fā)射(或接收)極，又叫輻射金屬塊；4、為減少換能器發(fā)射(或接收)超聲波在介質中傳播時受到阻抗的影響，在其發(fā)射(或接收)極外表面加有聲阻匹配材料層，例如聚乙烯，聚丙烯或聚苯烯等制成的泡沫塑料層。
下面通過附圖和實例對本實用新型的結構給予進一步說明。


圖1是本實用新型壓電陶瓷超聲波換能器主視剖面圖，因換能器為圓柱體省去俯視圖。圖中1、殼體；2、匹配變壓器；3、壓電陶瓷片；4、匹配金屬塊；5、輻射金屬塊；6、緊固鏍絲；7、聲阻匹配材料層(泡沫塑料層)；8、絕緣密封質；9、安裝螺栓；10、同軸電纜。由圖1本實用新型其電路部為同軸電纜線10的輸入線通過匹配變壓器與壓電陶瓷片3兩極相聯(lián)；其結構是由匹配變壓器2、壓電陶瓷片3，匹配金屬塊4、輻射金屬塊5、聲阻匹配材料層4組成，壓電陶瓷片3夾在匹配金屬塊4和輻射金屬塊5之間用緊固鏍絲6固定，聲阻匹配材料層7敷粘在輻射金屬塊5外側(發(fā)射或接收面)，上述部件聯(lián)接裝備后放入換能器殼體1內絕緣密封材質，例如聚氨脂橡膠或其它樹脂澆注固定密封，安裝螺栓9是用以將換能器固定用的。本實用新型其結構特征是壓電陶瓷片采用多層(2層、4層、6層或8層)結構及輻射金屬塊的發(fā)射(或接收)表面粘有聲阻匹配材料層即泡沫塑料層。
本實用新型的工作過程是通過同軸電纜10給換能器加適當頻率的發(fā)射電壓，此時處于諧振狀態(tài)的匹配變壓器2和壓電陶瓷片3阻抗很小，這樣便可獲得很大的發(fā)射電功率，該發(fā)射功率使壓電陶瓷片發(fā)生形變振動，產生很強的超聲波信號，這個信號通過輻射金屬塊5向外發(fā)射，由于輻射金屬塊5發(fā)射表面敷粘有聲阻匹配層(泡沫塑料層)，使輻射波具良好外傳能量效果，即使超聲波信號向空氣或其它介質中高效率地發(fā)射傳播出去。反之，同樣道理，當某一頻率范圍的超聲波信號被輻射金屬塊表面接收，可在壓電陶瓷片兩極產脈沖信號并由同軸電纜將該電信號輸出。
圖1可作為本實用新型的一個實例。
與上實例采用同樣設計方案，但為了使輻射金屬塊5傳遞能量的效率更高，可將整體輻射金屬塊5改為由匹配金屬塊，輻射桿和金屬底盤三部分固定組合在一起代替，匹配金屬塊只起聲阻匹配及固定電壓陶瓷片作用，能量由固定到匹配金屬塊中心的輻射桿傳遞到金屬底盤，這樣能量集中到金屬底盤中心發(fā)射，使超聲波能傳播得更遠，抗干擾能力加強，測量范圍增大。圖2是本實用新型改進后的換能器主視剖面圖。
圖2中1～4，6～10表示意義同圖1，5，匹配金屬塊；11、輻射桿；12、金屬底盤；13、聲阻匹配材料層。
在圖2所示換能器中，匹配塊4、5是兩相同金屬塊，用緊固鏍絲將壓電陶瓷片夾緊固定，輻射桿11是一金屬桿上端與匹配塊相連接，下端與金屬底盤12中心相接固定好，在金屬底盤外側敷粘固牢聲阻匹配材料層13，如圖1同質泡沫塑料層。但是該泡沫塑料層不是平的，而是成凸凹起伏圓環(huán)狀，這種形狀聲阻匹配材料層可使換能器發(fā)射面發(fā)出的超聲波束間橫向反相振動得以倒相，使發(fā)射出的超聲波具有很高的振動一致性，可有效地減少能量損失。圖3是圖2的底視圖，可以示出聲阻匹配材料層13的圓環(huán)狀結構。
上述兩種結構的本實用新型壓電陶瓷超聲波換能器，都具有發(fā)射功率大，靈敏度高，抗干擾能力強，測量范圍大，應用范圍廣等特點。
權利要求1.一種由匹配變壓、壓電陶瓷片、匹配金屬塊，輻射金屬塊構成的壓電陶瓷超聲波換能器，其特征在于壓電陶瓷片采用多層結構，輻射金屬塊的發(fā)射表面粘有聲阻匹配材料層(泡沫塑料層)。
2.按照權利要求1所述換能器，其特征在于多層壓是陶瓷片可采用2層、4層、6層或8層結構。
3.按照權利要求1所述的換能器，其特征在于輻射金屬塊由匹配金屬塊5、輻射桿11、金屬盤12組成，輻射桿11上端與匹配塊5中心，下端與金屬盤12中心相接并固定。
4.按照權利要求1、3所述的換能器，其特征在于聲阻匹配材料層為一凸凹起伏圓環(huán)狀泡沫塑料層。
專利摘要一種壓電陶瓷超聲波換能器由匹配變壓器，多層壓電陶瓷片、匹配金屬塊、輻射金屬塊及泡沫塑料制成的聲阻匹配材料層構成。該換能器由于置有匹配變壓器和泡沫塑料層解決了電阻抗和聲阻抗匹配，同時采用多層壓電陶瓷片結構，因此它具有發(fā)射功率大，靈敏度高、抗干擾能力強、測量范圍大、應用廣等特點，可適于在具有煤塵，可燃氣體等爆炸物的危險場合使用。
文檔編號G01D5/48GK2082849SQ9021945
公開日1991年8月14日 申請日期1990年9月25日 優(yōu)先權日1990年9月25日
發(fā)明者周雷, 邴國強 申請人:東北內蒙古煤炭工業(yè)聯(lián)合公司沈陽煤礦設計院