專利名稱：一種超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非接觸式物位測量技術(shù)，更確切地說，是一種大功率空氣測距超聲波換能器。
超聲波換能器是在其上施加與其機(jī)械諧振頻率相同和一定幅度的電信號，換能器就按諧振頻率振動，同時(shí)向空氣中發(fā)射聲波，聲波碰到被測物體后返回并被該換能器接收轉(zhuǎn)換成電信號。換能器上發(fā)出的信號和接收到的回波信號之間的時(shí)間間隔與換能器到物體表面的距離成正比。目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品的換能器結(jié)構(gòu)一般是夾心振子和聲阻抗匹配部分組合而成，夾心振子的形式基本上相同，聲阻抗匹配部分材料大部分以硬質(zhì)塑料和泡沫材料為主。這種換能器能提高雖然對機(jī)電轉(zhuǎn)換效率有所提高，但大部分的能量直接從匹配層反射回?fù)Q能器，只有一小部分能量傳輸?shù)娇諝庵?。由于能量反射使得超聲波換能器的盲區(qū)會很大，測量范圍減少，也就是通常說的盲區(qū)大，測不遠(yuǎn)。由于目前的塑料和泡沫材料的防腐性差，所以換能器不能用于腐蝕嚴(yán)重的場所。盡管有些換能器采用PVDF(聚偏氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)做換能器的外殼起防腐作用，由于PVDF及PTFE的聲阻抗極高(與空氣聲阻抗比)，根據(jù)阻抗匹配原理Z＝(Z1×Z2)1/2(式中Z1為換能器振子聲阻抗，Z2為空氣聲阻抗，Z為匹配材料聲阻抗)可知，用PVDF和PTFE做外殼的換能器測距不會遠(yuǎn)。根據(jù)聲阻抗匹配原理可知，換能器的性能好壞，聲阻抗匹配起決定性作用，也就是說，盡可能地找到或研制一種材料，使聲阻抗Z等于Z1乘Z2的開方，以制得盲區(qū)小、測距遠(yuǎn)的超聲波換能器。
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、盲區(qū)小、測距遠(yuǎn)且防腐的大功率空氣測距超聲波換能器。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案聲阻抗匹配采用漸變法即多次匹配，使用聲阻抗從高到低的聲阻抗匹配材料，與空氣聲相阻抗進(jìn)行匹配，以達(dá)到盲區(qū)小、測距遠(yuǎn)的目的。
本發(fā)明超聲波換能器是由夾心振子和聲阻抗匹配部分所組成。
本發(fā)明所述的夾心振子的結(jié)構(gòu)是已知的，是由輻射塊、壓電陶瓷、極片、匹配塊部件構(gòu)成，其形狀包括圓柱型、階梯型、對稱型、非對稱型、馬蹄型。
本發(fā)明所述的聲抗匹配部分是本發(fā)明的超聲波換能器的重要改進(jìn)，它是聲阻抗從高到低依次為與夾心振子的輻射塊相粘結(jié)的阻抗匹配金屬板、聲阻抗匹配材料、輻射膜，通過粘接疊加成層狀結(jié)構(gòu)。
所述的粘接用的粘接劑為通常高分子材料粘接用的已知粘接劑。
所述的輻射膜是起聲阻匹配及防護(hù)的作用，它所用的材料包括聚酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)或塑料薄膜材料。所述的PET材料，厚度為0.1～0.01mm、密度為0.5～1.5g/cm3，所述的PTFE材料，厚度為0.1～0.01mm、密度為0.5～2.5g/cm3，所述的PVDF材料厚度為0.1～0.01mm、密度為0.5～1.8g/cm3，所述的塑料薄膜包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯塑料薄膜，其厚度為0.1～0.01mm、密度為0.5～1.2g/cm3。
所述的聲阻抗匹配材料包括高壓聚氨酯泡沫以及聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯泡沫塑料，它們的厚度為換能器工作頻率的1/4波長、密度為0.05～0.2g/cm3。
所述的阻抗匹配金屬板包括鋼、鋁、鈦、鎂及合金金屬板，其厚度為0.5～4mm。
所述的聲阻抗匹配部分的層狀材料的尺寸大于、等于或小于與其結(jié)合的夾心振子的輻射塊接觸面的尺寸。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明由于聲阻抗匹配部分應(yīng)用多次匹配的漸變法原理，采用三種不同材料疊加成聲阻抗從高到低的層狀結(jié)構(gòu)，與空氣聲相阻抗匹配，可保證本發(fā)明的換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率達(dá)70～80％，盲區(qū)很小，探測距離達(dá)80～100米，比同類產(chǎn)品提高近一倍，在性能和價(jià)格上優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品；而且本發(fā)明工藝簡單，實(shí)用性廣。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
由圖1所示，本發(fā)明超聲波換能器是由輻射膜1、聲阻抗匹配材料2、阻抗匹配金屬板3、輻射塊4、兩塊壓電陶瓷5、極片6、匹配塊7所構(gòu)成，其中輻射膜1、聲阻抗匹配材料2、阻抗匹配金屬板3粘結(jié)組成聲阻抗匹配部分的層狀結(jié)構(gòu)；由與聲阻抗匹配部分的阻抗匹配金屬板3相粘接的輻射塊4以及兩塊壓電陶瓷5、極片6、匹配塊7組成馬蹄型超聲波換能器夾心振子。所述的極片6夾在兩塊壓電陶瓷5中間。
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器，包括由輻射塊4、壓電陶瓷5、極片6、匹配塊7構(gòu)成的夾心振子，其特征在于與夾心振子粘接在一起的聲阻抗匹配部分是聲阻抗從高到低依次為與夾心振子的輻射塊4粘接的阻抗匹配金屬板3、聲阻抗匹配材料2、輻射膜1，通過粘接疊加成層狀結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于所述的輻射膜的厚度為0.1～0.01mm，其材料選自高壓聚酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或塑料薄膜，所述的高壓聚酯密度為0.5～1.5g/cm3，所述的聚四氟乙烯的密度為0.5～2.5g/cm3，所述的聚偏乙烯密度為0.5～1.8g/cm3，所述的塑料薄膜的密度為0.5～1.2g/cm3。
3.按照權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于所述的聲阻抗匹配材料2的厚度為換能器工作頻率的1/4波長，其材料包括高壓聚氨酯泡沫以及聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯泡沫塑料，其密度為0.05～0.2g/cm3。
4.按照權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于所述的阻抗匹配金屬板3的厚度為0.5～4mm，其金屬包括鋼、鋁、鈦、鎂及合金。
全文摘要
本發(fā)明是一種超聲波換能器,其特點(diǎn)在于與普通夾心振子式(活塞式)超聲波換能器振子相粘接的聲阻抗匹配部分是由輻射膜、聲阻抗匹配材料和阻抗匹配金屬板,通過粘接方式疊加而成的層狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是一種大功率空氣測距超聲波換能器,機(jī)電轉(zhuǎn)換效率極高,盲區(qū)很小,探測距離遠(yuǎn),而且工藝簡單,造價(jià)低,實(shí)用性廣。
文檔編號H04R17/00GK1353297SQ0013220
公開日2002年6月12日 申請日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者周雷, 張樺 申請人:周雷, 張樺