CN106461435B - 超声换能器及超声流量测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声换能器(1)，其包括耦合元件(3)和压电元件(2)，金属盘(4)设置在耦合元件(3)与压电元件(2)之间，且所述金属盘(4)利用粘合剂层(5或6)连接到压电元件(2)或耦合元件(3)。所述超声换能器特征在于，所述粘合剂层(5或6)至少在某些区域中利用光化学可固化粘合剂来产生。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器及超声流量测量设备。
背景技术
已经公知超声换能器结构的大量不同变型及层序列。
本发明领域的EP0974814B1描述了具有承载表面，或接触表面的耦合元件。耦合元件具有用于容纳压电元件的腔体。金属盘设置在耦合元件与压电元件之间。该金属盘粘合在倾斜于承载表面并形成为该腔体的基底的平面中。这种具有集成金属盘的结构已基本自证并通过它在面临可变温度荷载时的高载荷能力而区别于玻璃盘和陶瓷盘。
在诸如EP0974814B1中的多层的制造过程中，关注于元件尽可能精确地彼此相对定向。因此，例如，金属盘应尽可能平行于超声换能器定向。在这种情形中，可使用粘合剂。在粘合剂固化期间，由于运输相关的的震动或其他原因而使单个部件偏移。
因此，尽可能快的使单个部件固定就位是有利的。然而，例如通过增加硬化剂的剂量或提高温度配置而快速固化粘合剂，可导致应力裂缝，或者以其他方式负面影响耦合元件的性质，或在粘合剂层内导致不利的效果(如气泡)。在这些情形中，超声换能器在质量上是不足的。
DE102012207871A1公开了用于粘贴中间层的光化学可固化粘合剂的应用。然而，在该公开中，明确要求，要被粘贴的中间层至少应为部分透明的。在这种情形中，首先假设粘合剂的整个表面固化，以便尽可能提供全表面辐射。由于金属盘不透明，因此作为如EP0974814B1中提供的能够导热的中间层的金属盘与DE102012207871A1的概念相抵触。
此外，在DE102013104542A1中，描述了具有耦合层的超声换能元件，其中同样应用了金属盘。
发明内容
本发明的目的为提供一种超声换能器，其可被快速制造，且在给定情形中，具有最小可能的温度载荷。
本发明通过权利要求1，2，3或4中限定的超声换能器来实现该目的。
本发明的超声换能器包括耦合元件和压电元件，其中，金属盘设置在耦合元件与压电元件之间。金属盘利用粘合剂层与压电元件相连接。
金属盘被设置成由压电元件覆盖，且可被设置在耦合主体的腔体中。此外，该金属盘也可具有非金属材料的附加层。
理想地，金属盘具有小于1/8λ(lambda)、优选小于1/16λ的优选层厚。它不执行声学匹配的功能，而仅仅在压电元件与设置于其下的层之间或耦合元件和给定情形下的适配或匹配层之间提供温度调节。在这种情形中，金属盘优选具有小于30ppm/k、特别优选为小于25ppm/k的热膨胀系数。金属盘应尽可能平坦，使得它不会导致耦合元件的基底平面相对于压电元件的平面有角度偏移。这样，金属盘的平面度总计优选小于1/16λ，特别地小于1/32λ。
在本发明的第一变型中，粘合剂层至少在某些区域中可由光化学可固化粘合剂形成。
在本发明的第二变型中，粘合剂层至少在某些区域中由包含至少一种微囊密封的聚合活化组分的粘合剂形成，该微囊密封的聚合活化组分可在超声波的作用下释放。
在这种情形中，固化可通过超声换能器的压电元件的任何出现的事件中引入。因此，粘合剂可直接被压电元件发出的超声波活化和固化。
在本发明的第三变型中，粘合剂层至少在某些区域中由包含至少一种聚合活化组分的粘合剂形成，该聚合活化组分可在微波的作用下活化。对应的组分例如可为聚合物引发剂，然而，其首先通过能量微波输入对聚合物活化。在子变型中，聚合活化组分也可以出现在微囊中，其中，微囊由微波破坏，且通过这种方式，该组分被释放并因此被活化。
在本发明的第四变型中，粘合剂层至少在某些区域中富含在LF或HF场的作用下可感应加热的组分。例如，这可为诸如镍-铁的铁磁合金或金属。
本发明的优选实施例为从属权利要求的主题。
固化粘合剂层可具有带有功能团的未反应的光引发剂或残留单体，其在光化学辐射下形成化学键或原子团。固化粘合剂层优选具有微囊的残留物。固化粘合剂层此外可具有吸收LF或HF场的组分的残留物。粘合剂层此外可具有诸如为铁磁颗粒的微波吸收组分的残留物。
金属盘可具有面对压电元件的区域，压电元件具有几何重心，其中聚合物的交联度朝着该重心减小。这意味着，例如粘合剂层的边缘上的聚合物与中心相比承受增强的聚合过程。聚合物的侧部增加程度的形式可由侧部照射引发。这将参考图2-8来详细阐明。
为了使金属盘和压电元件相对于耦合主体精确地适当定向，有利地，在实际固化之前，执行预粘贴或定位。预粘贴使得压电元件和金属盘能够固定于耦合主体。
粘合剂层在金属层的边缘区域光化学交联(cross link)或通过微波入射交联，且在中心区域热交联。这例如通过注意下述现象而观察到，粘合剂层中心中的光引发剂分子仍旧未被活化且未连接为聚合网络的组分，而是仅仅被聚合材料以增高的浓度包围，而不会形成化学键，或者至少没有键通过辐射被活化。
耦合主体或耦合元件，可具有面对被测介质的耦合表面，用于进入和出自耦合元件的期望超声信号的入耦合和/或出耦合，其中，耦合元件具有至少一个反射表面，其使从耦合表面进入耦合元件的辐射，特别是UV辐射或微波辐射，重定向到金属盘的边缘区域内。在该变型中，发射表面由耦合元件提供。另外地或可替换地，也可提供反射涂层。
此外，辐射的焦点可出现在反射表面上。
粘合剂层可特别是2组分粘合剂，其中，至少一个组分被微囊包围。聚合可在微囊破坏之后发生。
耦合主体有利地至少为部分透明的和/或可透射微波的。例如，根据从耦合主体朝向金属盘的粘合剂的辐射，粘合剂的固化可在没有附加措施的情形下发生。
金属盘与耦合主体之间的粘合剂层具有同金属盘与压电元件之间的粘合剂层相同的化学组分。
本发明的用于确定被测介质的流速或流量的超声波流量测量设备包括测量管和至少两个超声换能器，正如权利要求1-4其中一项所要求保护的，其沿着测量管布置，其中，每一个超声换能器都具有耦合元件，其具有耦合表面，在该耦合表面处，所产生的超声信号，可被发射到测量管或被测介质内，或者从测量管或被测介质接收。
而且，仅仅两个粘合剂层中的其中一个可被设置在金属盘的区域中。因此λ/4适配或匹配层也可替代粘合剂层设置在金属盘与耦合元件之间，正如在DE102013104542A1中所详细描述的，关于超声换能器的结构变型可对其进行综合参考。该概念对于本领域技术人员是公知的。本文关心的是适配或匹配层，其层厚度对应于适配或匹配层的材料中的超声信号的1/4波长的倍数，其中，根据带宽处的声学需要，层厚也可与该值偏离±25％。这与典型的粘合剂层相反，典型的粘合剂层厚度处于3/8λ之下。
附图说明
基于附图中的多个实施例的示例，将详细解释本发明的主题，附图示出了如下内容：
图1为本发明的第一超声换能器的分解图；
图2为第一超声换能器的侧视图；
图3为本发明的超声换能器的详图；
图4为本发明的第二超声换能器的详图；
图5为本发明的第三超声换能器的局部视图；
图6为本发明的第三超声换能器的详图；
图7为本发明的第四超声换能器的详图；以及
图8为本发明的第五超声换能器的详图。
具体实施方式
图1示出了本发明的包括耦合元件3的超声换能器1。
超声换能器1包括压电元件2、金属盘4和耦合元件3的布置。第一粘合剂层5设置在压电元件2与金属盘之间。第二粘合剂层6设置在金属盘4与耦合元件3之间。
耦合元件3通常也被称为耦合主体。耦合元件经常被实施为具有楔形形状，所以本领域技术人员也称其为耦合楔。
在本实施例的示例中，耦合元件3被实施为耦合楔。耦合元件的基本形式为具有侧面3.1和两个主表面3.2和3.3的圆柱体。在这种情形中，两个主表面中的一个3.2相对于另一个主表面3.3倾斜，以使得主表面3.2的法向量X相对于主表面3.3的法向量Y成角度。在这种情形中，主表面3.2的法向量X至少与压电元件2和/或金属盘4的法向量相同。主表面3.3用作耦合表面，且在夹紧式超声流量测量设备情形下将期望超声信号引导到介质传递管的管壁内。在所谓的管线内流量测量设备的情形中，即，具有固定安装的测量管的设备，期望超声信号也可被直接引入介质内。
图1中示出的耦合元件3具有倾斜孔形式的特殊腔体7，在其中可固定压电元件2和金属盘4。
在本实施例的示例中，耦合元件3的腔体7为包含圆形主表面3.2的圆柱形凹陷。然而，取决于压电元件2的形状，也可构想其他几何形状。因此，腔体7中的主表面3.2例如可为方形或长方形。
在主表面3.2处，由压电元件产生的超声信号的大部分，即大于50％，被引入耦合元件3内。同时，主表面3.2从至主表面3.3的平行定向的偏移角，限定了超声信号到被测介质的入射角。
用于将耦合元件3粘附于金属盘4的粘合剂被引入到腔体中。在它固化之后，这形成第二粘合剂层6。本发明意义上的术语粘合剂意味着可被固化，且在固化状态下，在两个元件之间——本文为金属盘4和耦合元件3或者为金属盘4和压电元件2之间——提供粘贴的任何物质。
粘合剂层特别地具有最大高达1mm厚的厚度，然而优选最大为0.5mm厚。可替换地，金属盘4与耦合元件3之间的键合可通过使用灌注厚度等于λ/4倍数的化合物来实现。
本发明的四变型可被用于形成粘合剂层。在每个情形中，以较低的温度加载快速固定单个部件的目的，被以不同的方式解决。
为了形成根据本发明的第一变型的第一粘合剂层5和/或第二粘合剂层6，可使用光化学可固化粘合剂。
此外，对应的光化学粘合剂，除其他之外，属于UV粘合剂，其可从Loctite公司获得。
一个选择是单组分或多组分粘合剂由UV辐射活化，并形成键。例如为光引发固化丙烯酸酯。可替换地，也可采用所谓的光活化剂，其首先例如采用原子团形成，通过在UV光中曝光来被活化，且随后这些原子团针对链反应/交联激励粘合剂的其他组分。
用于粘合剂组分的适当基本体系例如为丙烯酸酯、聚氨酯或环氧树脂。固化可利用例如Delolux 80灯的LED固化灯完成。在该情形中，温度提升显著小于传统的放电灯。光波长优选在300-480nm的范围。
为了形成根据本发明的第二变型的第一粘合剂层5和/或第二粘合剂层6，可使用粘合剂，其包括至少一个微囊密封的聚合活化组分，其在微波的作用下可释放。
微囊(micro-encapsulation)本身是已知的，且被广泛应用于例如食品工业。而且，微囊密封的粘合剂本身是已知的(参见“Kleben-Grundlagen，Technologien，Anwendungen(粘合剂键合-基本原理，技术，应用)”；第六次更新版，第238-240页)。这种粘合剂例如被应用于螺旋粘附的情形，其中，微囊被剪切力破坏。这种粘附的螺纹预涂层被用于例如PreLok公司的产品。具有封闭的粘合剂组分的微囊通过所谓的点滴法制成。在这种情形中，至少一种组分出现在微囊中，在给定情形中，还具有附加的组分，其触发聚合链反应。这种组分例如可为硬化剂。在环氧化物的情形中，硬化剂例如可为多胺(例如，二亚乙基三胺)。可替换地，例如为多元醇的粘合剂组分也可被封闭在微囊中。
高能微波辐射使得微囊爆裂。通过这种方式，发生聚合和/或已经存在的聚合物链中的交联。
此外，微囊、囊密封的组分和/或未被囊密封的组分，可有利地包括其他成分，其在微波辐射下或通过感应被强烈加热，并因此逐点地生成热量，其支持聚合和/或交联反应。因此，对于例如耦合主体或压电元件的其他部件而言是负担的较大的外部热输入是不必要的，或者至少需要的程度较低。这些其他的成分为热吸收颗粒，例如金属颗粒。
为了形成根据本发明的第三变型的第一粘合剂层5和/或第二粘合剂层6，可采用粘合剂，其包含至少一个微囊密封的聚合活化组分，其在超声波的作用下可释放。
这种技术被应用于例如医疗领域，以便借助于超声作用的方式释放超声的对比装置。对应的技术和微囊被描述于EP0977594B1，于此对其进行综合参考。
对比于其他技术，本情形的微囊用于封闭粘合剂组分。微囊可被超声换能器1的压电元件2的超声波爆裂。通过这种方式，用于测量的布置也被用于它的制造。为此，压电元件在制造过程中可被提供激发能，其高于通常用于测量模式的激发能。
而且，在本情形中，微囊、囊封闭的和/或未囊封闭的组分可包含多种成分，其在微波辐射下或通过感应被强力加热，并因此提供逐点的热点，其支持聚合和/或交联反应。且此处，热吸收颗粒例如可为金属颗粒。
为了形成根据本发明的第四变型的第一粘合剂层5和/或第二粘合剂层6，可使用粘合剂，其至少在某些区域中富于组分，其在LF或HF场的作用下是可感应加热的。
这种组分例如可为铁磁合金或诸如镍铁的金属。这些组分在固化后也可在粘合剂层中检测到。因此，粘合剂层在固化状态中也包含LF或HF场吸收组分的残留物。
利用微波、感应或微囊加热的特殊优势在于，局部受限效应和聚合，其保护周围的材料。在这种情形中，用于该聚合的热输入非常小。
在开始聚合之后，粘合剂层可为仅预粘贴的或者在一个工艺步骤中被完全固化。在预粘贴的情形中，热处理可随后以引起完整的聚合。在这种情形中，热输入有利地被选择为较小，以使得在这种情形中，对于残留组分的热保护制造是可能的(因此例如保护压电元件的材料或耦合元件的材料)。
用于固定承载板的已知概念被设计成将承载板直接与压电元件或耦合主体相连接。前面提及的粘合剂的应用允许逐步地固化粘合剂。
在应用光化学可固化粘合剂并利用图2和3中所示出的辐射的情形下，利用超声波和/或微波的辐射影响金属盘4到耦合元件3的横向粘贴。这被理解为一种预粘贴或定位的类型。耦合元件与金属盘之间和金属盘与压电元件之间的各自的横向粘贴，在最终固化发生前，保护这些元件不会滑动。
在发生预粘贴之后，取决于辐射的强度，仍旧可实现超声换能器装置的单个部件的微调以及或精确定向。
最终固化及由此的粘贴例如可在预粘贴之后在火炉中，或者可替换地通过耦合元件3的全表面辐射立即发生，以使得耦合元件3相对于聚合促进辐射，例如UV辐射是透明的。
在本发明的第三超声换能器装置中，所施加的粘合剂可包含微囊密封的聚合活化组分，其在超声波作用下是可释放的。
该变型的特殊优点在于，超声换能器的超声波可使微囊爆裂。因此，在对应于微囊的共振频率的第一频率中，引起胶囊爆裂。超声波被作为具有第二频率的测量信号传输。使用者可以根据频率持续时间来确定胶囊可能爆裂的百分比。因此，预粘贴、定向以及最终粘贴金属盘是可能的。
前面提及的固定方法优选用于形成第一和第二粘合剂层。
金属盘的横向辐射区域以及或用于预粘贴的粘合剂层可通过将辐射源定位在该横向区域中来实现。
然而，还可能以这种方式实施耦合元件3，在金属盘4的边缘和压电元件的边缘与腔体7的内表面之间提供自由空间8。图2和3示出了具有这种耦合元件3的超声换能器。
因此，来自于辐射源，例如超声、微波或UV辐射器的辐射S进入耦合元件3的自由空间8并直线行进到重定向表面9，在这里，辐射被重新定向。重定向表面9可配备有辐射反射层或超声波反射层。这在图2中以90度角发生。通过这种方式，辐射被定向为平行或基本平行于第一和/或第二粘合剂层5，6，并使得边缘能够被固化以在保存之上预粘贴部件，或压电元件2、金属盘4和耦合元件3。
随后，可实现金属盘或压电元件的精确定向，或者在制造工厂内可实现运输步骤。
最后，固化通过照射穿过耦合元件中心定位的粘合剂或者通过热固化粘合剂来实现。在这种情形中，优选较小的能量与通常的热交联的情形相比被扩展了，而不用先前的光化学固化。
图4示出了另一个有利变型，其可被例如用于光化学固化、超声波或微波活化的固化。在这种情形中，耦合主体包括聚焦表面9。这可被铣削到耦合主体中，随后涂覆有例如为金属层的层，其使在粘合剂层5、6方向上的进入的辐射或超声波被转向和聚焦。
图5和6示出了一种变型，在这种情形中，穿过耦合主体3的辐射或超声波，在重定向表面10上沿粘合剂层5和6的方向被横向反射。在该版本中，重定向表面涂覆有反射层，其提供反射表面。
图7和8示出了聚焦的各种变型，其进一步使进入的辐射或超声波聚焦，并因此将该目标引导到粘合剂层的横向区域上。
在图7中，这发生在聚焦表面10上，其为施加到耦合元件3上的反射层。聚焦表面10的轮廓，或凸起，可整体融入耦合主体3。
在图8中，借助于专门的聚焦元件11实现聚焦，其向内突入到自由空间8内。该聚焦元件11提供聚焦表面10，在该表面上，发生辐射或超声波的转向和聚焦。聚焦元件11可被可释放地设置在耦合元件3上，以使得它可在制造过程中重新使用。
当然，对应的聚焦元件还可以设置在附图4所示的聚焦表面9所在位置上。
在本发明的附加变型(未示出)中，粘合剂层可具有能量导体，例如为光导体或声音导体。这些使得能量和/或辐射被精确输入到待粘附的位置。
Claims (19)
1.一种超声换能器(1)，包括耦合元件(3)和压电元件(2)，其中，在所述耦合元件(3)和所述压电元件(2)之间设置金属盘(4)，其中，所述金属盘(4)利用粘合剂层(5或6)与所述压电元件(2)或所述耦合元件(3)相连，
其特征在于，所述粘合剂层(5或6)至少在某些区域利用光化学可固化粘合剂来形成，并且
在设置有所述压电元件(2)和所述金属盘(4)的所述耦合元件(3)的腔体(8)内设置有聚焦元件和/或反射元件(11)，用于聚焦和/或重新定向辐射。
2.一种超声换能器(1)，包括耦合元件(3)和压电元件(2)，其中，在所述耦合元件(3)和所述压电元件(2)之间设置金属盘(4)，其中，所述金属盘(4)利用粘合剂层(5或6)与所述压电元件(2)或所述耦合元件(3)相连，
其特征在于，所述粘合剂层(5或6)至少在某些区域由粘合剂形成，所述粘合剂至少在某些区域包含微囊密封的聚合活化组分，所述聚合活化组分在超声波作用下可释放，并且
在设置有所述压电元件(2)和所述金属盘(4)的所述耦合元件(3)的腔体(8)内设置有聚焦元件和/或反射元件(11)，用于聚焦和/或重新定向辐射。
3.一种超声换能器(1)，包括耦合元件(3)和压电元件(2)，其中，在所述耦合元件(3)和所述压电元件(2)之间设置金属盘(4)，其中，所述金属盘(4)利用粘合剂层(5或6)与所述压电元件或所述耦合元件(3)相连，
其特征在于，所述粘合剂层(5或6)至少在某些区域由粘合剂形成，所述粘合剂至少在某些区域包含聚合活化组分，所述聚合活化组分在微波作用下可活化，并且
在设置有所述压电元件(2)和所述金属盘(4)的所述耦合元件(3)的腔体(8)内设置有聚焦元件和/或反射元件(11)，用于聚焦和/或重新定向辐射。
4.一种超声换能器(1)，包括耦合元件(3)和压电元件(2)，其中，在所述耦合元件(3)和所述压电元件(2)之间设置金属盘(4)，其中，所述金属盘(4)利用粘合剂层(5或6)与所述压电元件或所述耦合元件(3)相连，
其特征在于，所述粘合剂层(5或6)至少在某些区域富含在LF或HF场的作用下可感应加热的组分，并且
在设置有所述压电元件(2)和所述金属盘(4)的所述耦合元件(3)的腔体(8)内设置有聚焦元件和/或反射元件(11)，用于聚焦和/或重新定向辐射。
5.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述粘合剂层(5或6)包括具有功能团的不反应的光引发剂或残留单体，所述不反应的光引发剂或残留单体在光或微波辐射的作用下形成化学键或原子团。
6.如权利要求2、3或4所述的超声换能器，其特征在于，所述粘合剂层(5或6)具有微囊的残留物或LF或HF场吸收组分的残留物或微波吸收组分的残留物。
7.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述金属板(4)具有面对压电元件(2)的区域，所述压电元件(2)具有几何重心，并且其中聚合物的交联度朝着所述重心减小。
8.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述粘合剂层(5或6)在所述金属盘的边缘区域光化学交联或通过微波入射交联，且在所述金属盘的中心区域热交联。
9.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述耦合元件(3)具有面对被测介质的耦合表面(3.3)，用于进入和出自所述耦合元件(3)的期望超声信号的入耦合和/或出耦合，且其中，所述耦合元件(3)具有至少一个反射表面(9，10)，所述反射表面(9，10)重新定向辐射或超声波，使得从耦合表面(3.3)进入所述耦合元件以及进入所述金属盘(4)的边缘区域。
10.如权利要求中9所述的超声换能器，其特征在于，所述反射表面(9，10)重新定向UV辐射或微波辐射。
11.如前利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述耦合元件(3)具有聚焦表面(9,10)，用于把辐射或超声波聚焦到粘合剂的侧部区域。
12.如前利要求中11所述的超声换能器，其特征在于，所述聚焦表面(9,10)用于把UV辐射或微波聚焦到粘合剂的侧部区域。
13.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述粘合剂层由2组分粘合剂形成，其中，至少一个组分由所述微囊包围。
14.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，在设置有所述压电元件(2)和所述金属盘(4)的所述耦合元件(3)的腔体(8)内设置有聚焦元件和/或反射元件(11)，用于聚焦和/或重新定向辐射或超声波。
15.如权利要求中14所述的超声换能器，其特征在于，所述聚焦元件和/或反射元件(11)用于聚焦和/或重新定向UV辐射或微波辐射。
16.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述耦合元件(3)至少部分是透明的和/或微波透射的。
17.如权利要求中1-4任一项所述的超声换能器，其特征在于，粘合剂层设置在所述压电元件(2)和所述金属盘(4)之间以及所述金属盘(4)和所述耦合元件(3)之间。
18.如权利要求中17所述的超声换能器，其特征在于，所述金属盘(4)和所述耦合元件(3)之间的粘合剂层(6)与所述金属盘(4)和所述压电元件(2)之间的粘合剂层(5)具有相同的化学组分。
19.一种用于确定被测介质的流速或体积流量的超声流量测量设备，包括：测量管和沿着所述测量管设置的如权利要求1-4中任一项所述的至少两个超声换能器，其中，所述超声换能器的每一个包括具有耦合表面的耦合主体，在所述耦合表面处，所产生的超声信号能够被传输到所述测量管或被测介质内，或从所述测量管或被测介质接收。
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