一種可自加熱的超聲波傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種可自加熱超聲波傳感器，其包括殼體及線纜，所述線纜包括第一連接線、第二連接線、第三連接線以及第四連接線；所述殼體內的一端端部設有聲音匹配層，所述聲音匹配層上設有陶瓷電路基底，陶瓷電路基底上設有壓電陶瓷片；陶瓷電路基底與第二、三、四連接線電連接，壓電陶瓷片與第一連接線電連接；壓電陶瓷片、第一連接線、陶瓷電路基底、第二、三、四連接線及聲音匹配層通過聲音衰減體壓緊安裝于殼體內。本實用新型通過在傳感器內置入加熱電源，有效的保障了傳感器在惡劣條件應用情況下的溫度一致性，避免了冰霜霧等在傳感器端面形成的沉積，從而保證了較高的測量精度。傳感器結構簡單緊湊，使用方便，安全可靠。
【專利說明】
一種可自加熱的超聲波傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種傳感器，尤其是一種可自加熱的超聲波傳感器，可以被應用在超聲波風速儀等領域。
【背景技術】
[0002]超聲波傳感器通常由金屬外殼和粘接在金屬殼內的壓電陶瓷片組成，交流信號的激勵可以使壓電陶瓷片產生同頻率的機械振動，從而發(fā)射出超聲波;或者壓電陶瓷在一定頻率的外部機械振動下產生相應頻率的電信號，從而作為超聲波的接收器。
[0003]這種超聲波收發(fā)原理被廣泛應用在工程測量領域。超聲波風速儀就是這樣的一種測量裝置。超聲波風速儀內置的超聲波傳感器主要用來測量超聲波的傳輸距離，測量利用的是聲波在發(fā)射探頭與接收探頭之間的傳播時間會隨著風速值的變化而成比例變化這一原理。超聲波風速儀相比傳統(tǒng)的機械式風速儀，測量精度更高，使用更可靠。然而通常的超聲波傳感器被應用在風速儀中，卻由于無法適應各種惡劣的自然氣候條件，而降低了測量精度。下面是具體的原因分析:
[0004]超聲波傳感器的核心元件是一種可將電信號與聲學信號進行轉換的器件(多數(shù)是壓電片材料)。這個聲電轉換器所具有的轉換效率以及諧振頻率等特性會伴隨著周圍溫度的變化而表現(xiàn)不同。對于自然氣候條件，由于溫度的變化范圍大，由此而造成的聲電轉換器在特性上變化會降低傳感器的測量精度。為了保證超聲波風速儀接收端以及發(fā)射端傳感器具有相同的特征，就需要傳感器的工作溫度保持恒定。但是風速儀的應用環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器端面形成的降水，冰凍，霜凍等，一方面對傳感器的工作溫度產生影響，從而降低了傳感器的測量精度，另一方面這些表面凝結物，會形成新的聲阻層，從而影響了超聲波風速儀的發(fā)收聲波傳輸特性;通過在超聲波傳感器內置入加熱器，并保證傳感器端面的溫度保持在一定數(shù)值，就可以有效的避免冰凍、降水、霜凍等在傳感器端面形成沉積層。
[0005]目前的超聲波傳感器多采用壓電材料作為聲電轉換器，并通過采用λ/4匹配材料層，降低聲波在壓電材料與空氣界面的匹配損耗。匹配材料的聲阻通常取空氣以及壓電材料聲阻的平均值。由于匹配材料層與空氣直接接觸，因此應該與加熱裝置直接接觸，并具有較好的導熱性能。
[0006]圖1為現(xiàn)有超聲波傳感器的結構示意圖，其中，I表示壓電陶瓷片，2為金屬殼，3為聲音衰減體，4為固定支撐環(huán)，5為聲音匹配層，6為第一連接線，7為第二連接線，10為線纜。這種方法制作的超聲波傳感器(圖1)，內部無加熱裝置，當被應用在惡劣的自然環(huán)境中，聲音匹配層(5)的端面(傳感器發(fā)射端面)易產生冰霜等沉積物，從而影響傳感器的使用，而不適于集成在風速儀中進行高精度的風速測量。

【發(fā)明內容】

[0007]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種可自加熱的超聲傳感器，其結構簡單緊湊，安裝使用方便，測量精度高，使用壽命長，使用成本低，適用范圍廣，安全可靠。
[0008]按照本實用新型提供的技術方案，所述可自加熱超聲波傳感器，包括殼體及線纜，所述線纜包括第一連接線、第二連接線、第三連接線以及第四連接線;所述殼體內的一端端部設有聲音匹配層，所述聲音匹配層上設有陶瓷電路基底，陶瓷電路基底上設有壓電陶瓷片；陶瓷電路基底與第二、三、四連接線電連接，壓電陶瓷片與第一連接線電連接;壓電陶瓷片、第一連接線、陶瓷電路基底、第二、三、四連接線及聲音匹配層通過聲音衰減體壓緊安裝于殼體內。
[0009]所述陶瓷電路基底包括介質板及位于介質板上的連接電極和加熱單元。
[0010]所述連接電極位于陶瓷電路基底的介質板表面中心位置，并呈開口圓環(huán)狀。
[0011]所述殼體采用金屬或塑料制成。
[0012]所述殼體對應于設置聲音匹配層的另一端設有支撐定位環(huán)，所述支撐定位環(huán)套在殼體上。
[0013]所述聲音衰減體采用發(fā)泡性樹脂、聚氨基甲酸酯與鎢粉形成的混合粉末或聚氨基甲酸酯與氧化鋁粉末形成的混合粉末。
[0014]所述聲音衰減體通過將聚氨基甲酸酯與鎢粉以體積比為3:1的比例混合制成或通過將聚氨基甲酸酯與氧化鋁以體積比為1:1的比例混合制成。
[0015]所述聲音匹配層通過環(huán)氧樹脂(LY5138)與中空丙烯腈小球(EXPANCEL公司)以體積比1:1混合制成。
[0016]所述壓電陶瓷片上設有電連接的第一引線端，陶瓷電路基底上設有電連接的第二引線端;第一連接線通過第一引線端與壓電陶瓷片電連接，第二連接線通過第二引線端與陶瓷電路基底電連接。
[0017]所述連接電極采用金屬銅制成，連接電極的厚度為30-65μηι。
[0018]所述加熱單元為采用電阻漿，并通過絲網印刷工藝制成，加熱單元厚度為20_40μm，其上方印刷為高溫陶瓷基絕緣層，厚度為15-25um。
[0019]本實用新型的優(yōu)點:殼體內設有聲音匹配層，所述聲音匹配層上設有陶瓷電路基底，陶瓷電路基底上設有壓電陶瓷片;陶瓷電路基底的上表面設置第二、三、四引線端，作為傳感器的三個電極;壓電陶瓷片的上表面設置第一引線端并作為傳感器的第四電極;壓電陶瓷片與陶瓷電路基底通過高強度粘膠連接在一起，并通過聲音衰減體安裝固定在殼體內。本實用新型采用陶瓷電路式加熱單元，并放置在壓電陶瓷片與聲音匹配層間，有效的提高了熱量向傳感器端面的輻射。由于加熱電源采用陶瓷基底，具有與壓電陶瓷片相近的聲阻特性，有利于振動的傳播，從而增加了測量的精度；另外傳感器結構簡單緊湊，安裝使用方便，測量精度高，使用壽命長，適用范圍廣，安全可靠。
【附圖說明】
[0020]圖1為現(xiàn)有超聲波傳感器的結構示意圖。
[0021]圖2為本實用新型的結構示意圖。
[0022]圖3為本實用新型聲音匹配層的平面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0024]如圖2?圖3所示:本實用新型包括壓1，壓電陶瓷片;2，金屬殼;3聲音衰減體;4，固定支撐環(huán);5，聲音匹配層;6，第一連接線;7，第二連接線;8，第三連接線;9，第四連接線;6-1，第一引線端;7-1，第二引線端;8-1，第三引線端;9-1，第四引線端;10，線纜;11，陶瓷電路基底。
[0025]如圖2所示:所述殼體2呈圓筒狀結構，殼體2內的兩端相連通。殼體2內設有聲音匹配層5，所述聲音匹配層5上設有陶瓷電路基底11，所述陶瓷電路基底11上印制連接電極以及加熱單元，所述陶瓷電路基底上方設有壓電陶瓷片I，所述壓電陶瓷片與陶瓷電路基底11電連接并對應配合，壓電陶瓷片I與聲音匹配層5對應配合后能夠得到超聲波傳感器的工作頻率。為了形成超聲波傳感器的兩個電極，壓電陶瓷片I的陶瓷片上表面設有第一引線端6-1，壓電陶瓷片I通過第一引線端6-1與第一連接線6電連接；同時，陶瓷電路基底11上設有第二引線端7-1、第三引線端8-1、第四引線端9-1，陶瓷電路基底11通過第二、三、四引線端7-
1、8-1、9-1分別與第二、三、四連接線7、8、9電連接。其中，第一連接線6、第二連接線7、第三連接線8、第四連接線9均為線纜10內的連接導線。第一連接線6通過超聲波焊接工藝與第一弓丨線端6-1固定連接，第二、三、四連接線7、8、9分別通過錫焊工藝與第二、三、四引線端7-1、8-1、9-1固定連接。
[0026]為了將聲音匹配層5、陶瓷電路基底11與壓電陶瓷片I安裝于殼體2內，所述殼體2內灌注有聲音衰減體3，聲音匹配層5、陶瓷電路基底11與壓電陶瓷片I通過聲音衰減體3壓緊安裝于殼體2內。殼體2可以由金屬或塑料制成，聲音匹配層5及壓電陶瓷片I的軸線與殼體2的軸線位于同一直線上，且聲音匹配層5的端部與殼體2的端部處于同一水平面上。殼體2對應于設置聲音匹配層5的另一端端部設有支撐定位環(huán)4，所述支撐定位環(huán)4套在殼體2上，并與殼體2相對應配合。支撐定位環(huán)4的端部覆蓋殼體2的開口，形成超聲波傳感器相應的底部結構。
[0027]如圖3所示:所述陶瓷電路基底11包括介質板11-1，所述介質板11-1上設有壓電陶瓷片連接電極11-5，所述介質板11-1呈圓盤狀，連接電極11-5呈開口圓環(huán)狀，連接電極11-5由電極端口 11-4與連接線相連。所述介質板11-1上設有加熱單元11-6，加熱單元為彎曲狀并與電極端口 ll-2、ll-3相連。連接電極ll-2、ll-3、ll-4、ll-5均采用銅制成，加熱單元ll-6為采用電阻漿料印制在介質板ll-l表面。應用過程中，加熱單元ll-6的溫度被維持在一個恒定的溫度，如40-80度。
[0028]壓電陶瓷片I與介質板11-1設置連接電極11-5的表面通過化學粘膠粘接在一起。聲音匹配層5與介質板11-1的另一面也通過化學粘膠粘接在一起。聲音衰減體3被填充在殼體2內，用來對壓電陶瓷片I產生的向后以及向側面發(fā)出的超聲波進行吸收抑制。從而減小該震動對發(fā)射端的超聲波造成的影響。
【主權項】
1.一種可自加熱的超聲波傳感器，包括殼體及線纜，所述線纜包括第一連接線、第二連接線、第三連接線以及第四連接線;所述殼體內的一端端部設有聲音匹配層，所述聲音匹配層上設有陶瓷電路基底，陶瓷電路基底上設有壓電陶瓷片；陶瓷電路基底與第二、三、四連接線電連接，壓電陶瓷片上表面與第一連接線電連接;壓電陶瓷片、第一連接線、陶瓷電路基底、第二、三、四連接線及聲音匹配層通過聲音衰減體壓緊安裝于殼體內。2.根據權利要求1所述的一種可自加熱的超聲波傳感器，其特征是:所述陶瓷電路基底(11)包括介質板(11-1)及位于介質板(11-1)上的連接電極(11-2、11-3、11-4、11-5)和加熱單元(11-6)。
【文檔編號】G01D5/48GK205643384SQ201620176846
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】曹二林, 曹大林
【申請人】江蘇德易普傳感科技有限公司