CN111473839B - 一种超声换能器及其嵌套结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种电与声的能量转换结构，具体属于一种超声换能器及其嵌套结构；所述嵌套结构包括在壳体底部安装有第一填充体；在第一填充体的顶部安装有第一功能体；在第一功能体的上表面的中部设置有向上凸起的第二填充体，在第二填充体的顶部设置有第二功能体；第一功能体采用低频超声发射材料，第二功能体采用高频超声发射材料；其中第二功能体的截面面积小于第二填充体的截面面积；第一功能体的截面面积小于第一填充体的截面面积；本发明嵌套结构中心圆形区域第一填充体厚度较小，***的圆环区域第二填充体厚度较大；第一填充体用高频收发的压电薄片作为激励元件，第二填充体用频率较低的压电圆片或压电圆环作为激励元件，实现双频点工作。

Description

一种超声换能器及其嵌套结构

技术领域

本发明属于一种电与声的能量转换结构，具体属于一种超声换能器及其嵌套结构。

背景技术

超声液位计是非接触测量中发展最快的一种仪表。它基于超声波在被测物体表面产生反射的原理，以及所测距离与时间的函数关系，实现距离的测量。超声液位计具有测量范围宽、测量不受介质密度和介电常数的影响等优点，适用于气体、液体或固体等多种测量介质，适用范围广泛，包括水渠、油罐、气罐等多种不同场合，还可以应用于粘稠、腐蚀性以及有毒液体等液位测量。

中国专利“一种超声波液位计改进的振子结构”(201721392541.9)提出了一种可改善液位计盲区的超声换能器结构，通过增加一层加强背称胶,目的是提高后向声波的吸收效率，降低其对盲区的影响。然而，由于超声换能器有其固有的瞬态特性，通常需要多个驱动脉冲激励后，才能达到稳定的信号输出，因此，仅靠加快拖尾信号的衰减对盲区的改善效果有限。

超声波液位计的盲区和作用距离与工作频率密切相关，总体而言，高频工作时，液位计的盲区小，作用距离小；低频工作时，液位计的盲区大，作用距离大。单频点工作的超声液位计可以通过优化设计，可同时兼顾一定的盲区和作用距离，但无法同时实现小盲区和大作用距离，因此，需要开发一种多频点工作的超声换能器。

发明内容

针对上述需求，本专利着眼于改善超声液位计的测量范围和盲区，提出了一种多频点工作的超声换能器及其嵌套结构。多频点设计基于以下目的，当液位较低时利用高频点工作，高频超声波周期短，衰减速度快，可有效减小盲区，并可以提高测量精度；当测量***需要大量程工作时，可工作在低频段，低频超声波穿透能力强，传播过程中衰减小，同样的电压激励下，传播距离更远，利于实现大量程测液位。该结构可用于埋入式水位计等，用于水渠、路面、河流等液位测量；也可用于其它超声波液位计，用于储罐、容器等液位测量。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种超声换能器的嵌套结构；包括壳体，在壳体底部安装有第一填充体；在第一填充体的顶部安装有第一功能体；在第一功能体的上表面的中部设置有向上凸起的第二填充体，在第二填充体的顶部设置有第二功能体；所述第一功能体采用低频超声发射材料，所述第二功能体采用高频超声发射材料；其中所述第二功能体的截面面积小于第二填充体的截面面积；第一功能体的截面面积小于第一填充体的截面面积。

在本发明的第二方面，本发明还提出了一种超声换能器，包括基底，在所述基底的底部安装有上述嵌套结构。

本发明的有益效果：

本发明嵌套结构的壳体盖板中心的圆形区域第一填充体厚度较小，***的圆环区域第二填充体厚度较大。第一填充体用高频收发的压电薄片作为激励元件，第二填充体用频率较低的压电圆片或压电圆环作为激励元件，进而实现双频点工作。本发明的嵌套结构还可以进一步扩展为3层或更多的嵌套结构；本发明当液位较低时利用高频点工作，高频超声波周期短，衰减速度快，可有效减小盲区，并可以提高测量精度；当测量***需要大量程工作时，可工作在低频段，低频超声波穿透能力强，传播过程中衰减小，同样的电压激励下，传播距离更远，利于实现大量程测液位。该结构可用于埋入式水位计等，用于水渠、路面、河流等液位测量；也可用于其它超声波液位计，用于储罐、容器等液位测量。

附图说明

图1为地埋式水位计的安装应用示意图；

图2为本发明的一种压电圆片的嵌套结构；

图3为本发明的一种压电圆环的嵌套结构；

图4为本发明的一种凹形盖板的嵌套结构；

图5为本发明的一种凸形盖板的嵌套结构；

图6为本发明的一种圆台形的嵌套结构；

图7为本发明的一种倒圆台形的嵌套结构；

图8为本发明的一种压电陶瓷的嵌套结构；

图9为本发明的一种压电复合材料的嵌套结构；

图10为采用压电复合材料的嵌套结构；

图11为一种平板式壳体的嵌套结构；

图12为本发明中各个第一功能体所采用的压电复合材料结构；

图13为本发明的一种超声换能器；

图中，11、液体，12、基底，13、腔体、14、超声换能器，15、填充体，16、发射超声波，17、接收回波，18、液面；21、31、41、51、61、71、81、91、101、131为壳体，22、32、42、52、62、72、82、92、102为第一填充体，23、33、43、53、63、73、83、93、103、113、133为第一功能体，24、34、44、54、64、74、84、94、104、114、134为第二功能体，25、85、95、105、112、145为第二填充体；86、96、98、106、108、116、118、122、124、135、136为缝隙；111、防护层，121、压电陶瓷块体，87、97、99、107、109、115、117、123、125为压电柱，132为背称层，137为去耦材料，138为导线，139为吸声密封材料，140为连接器，141、142、143、144为电极，146为盖板，147、148为匹配层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一般情况下，传统的埋入式超声液位计的使用方式如图1所示，在液面18的下方为液体11，在液体11中传输接收回波17和发射超声波16；在液体11下方安装有基底12，在基底12的顶部安装有超声换能器结构，该超声换能器结构中，包括外壳，在外壳的顶部安装有腔体13，在腔体13的下方安装有超声换能器14，在超声换能器14的周围覆盖有填充材料15；为了提高整个结构的抗压能力，腔体13可以采用一定厚度的高强度塑料或金属。对于一定的压强，盖板面积越大，中心位置形变越大，越容易超出其应力强度极限。对于一定厚度的盖板，低频超声波更容易穿透，损耗更小；高频超声波更容易被盖板阻挡，损耗较大。

本发明提出了一种超声换能器的嵌套结构，所设置的盖板中心的圆形区域厚度较小，***的圆环区域厚度较大。中心区域用高频收发的压电薄片作为激励元件，***圆环区域用频率较低的压电圆片或压电圆环作为激励元件，进而实现双频点工作。该结构还可以进一步扩展为3层或更多的嵌套结构。下面结合具体情况，阐述本发明的具体实现形式。

实施例1

本发明提出了一种压电圆片的嵌套结构，其剖面结构如图2所示，所述压电圆片的嵌套结构包括壳体21，在壳体21底部安装有圆柱形的第一填充体22；在第一填充体22的顶部安装有第一功能体23；在第一功能体23的上表面的中部设置有向上凸起的第二填充体25，在第二填充体25的顶部设置有第二功能体24；该嵌套结构中，第一功能体23采用频率较低的压电圆片；第二功能体25采用高频收发的压电薄片，该压电圆片和压电薄片均为圆柱形结构；且压电圆片的厚度大于压电薄片的厚度，压电圆片的半径大于压电薄片的半径。该嵌套结构中第一功能体23工作在低频段，第二功能体24工作在高频段，第二功能体24激励时液位计的盲区要小于第一功能体23，需要盲区较小时，则激励第二功能体24工作；需要大测量范围时，则激励第一功能体23工作。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明提出了一种压电圆环的嵌套结构，其剖面结构如图3所示，所述压电圆环的嵌套结构包括壳体31，在壳体31底部安装有呈凸字形的第一填充体32；在第一填充体32的两肩顶部安装有环形的第一功能体33；在第一填充体32的上顶部设置有第二功能体34；该嵌套结构中，环形的第一功能体32采用频率较低的压电圆环；第二功能体采用高频收发的压电薄片；正是由于第一功能体32采用了压电圆环结构，使得第一功能体33不直接与第二填充体接触，因此，本实施例就将实施例1中的第二填充体24与第一填充体23合并，形成本实施例中凸形的第一填充体32；同样的，压电圆环的厚度大于压电薄片的厚度，压电圆环的环径大于压电薄片的半径；本发明将实施例1中第一功能体32的压电圆片换为压电圆环，能够得到不同的指向性。

实施例3

在实施例2的基础上，本发明提出了一种凹形盖板的嵌套结构，其剖面结构如图4所示，所述环柱形的嵌套结构包括向下凹的壳体41，即该壳体41的盖板为凹形盖板，在壳体41底部安装有呈凸字形的第一填充体42；在第一填充体42的两肩顶部安装有环形的第一功能体43；在第一填充体42的上顶部设置有第二功能体44；本实施例采用了凹形盖板使波束聚焦，可得到比实施例2结构更窄的波束，使声能量更聚焦，探测距离更远。

实施例4

在实施例2的基础上，本发明提出了一种凹形盖板的嵌套结构，其剖面结构如图5所示，所述环柱形的嵌套结构包括向上凸的壳体51，即该壳体51的盖板为凹形盖板，在壳体51底部安装有呈凸字形的第一填充体52；在第一填充体52的两肩顶部安装有环形的第一功能体53；在第一填充体52的上顶部设置有第二功能体54；本实施例采用了凸形盖板使波束宽度更大，使声能量更分散，在某些特殊应用情况下，比如液体中有大体积的杂质时，宽波束可以分辨出液位和杂质的回波。

实施例5

在实施例2的基础上，本发明提出了一种圆台形的嵌套结构，其剖面结构如图6所示，所述圆台形的嵌套结构包括壳体61，在壳体61底部安装有呈凸起且该凸起的两肩呈圆台面的第一填充体62；在第一填充体62的两肩顶部安装有具有倒圆台面形状的环形的第一功能体63，该环形的第一功能体63与该第一填充体62的圆台面呈垂直状态，第一功能体63与第一填充体62的倾斜角度一致；也就是说，第一功能体63的倒圆台面与第一填充体62的圆台面刚好配合；在第一填充体62的上顶部设置有第二功能体64；通过改变第一功能体63也即低频超声收发用功能材料的驱动方向，从而改变低频超声收发的指向性，以便适应不同的应用需求。

实施例5

在实施例2的基础上，本发明提出了另外一种倒圆台形的嵌套结构，其剖面结构如图7所示，所述倒圆台面形的嵌套结构包括壳体71，在壳体71底部安装有呈起且该凸起的两肩呈倒圆台面的第一填充体72；在第一填充体72的两肩顶部安装有圆台面的环形的第一功能体73，该环形的第一功能体73与第一填充体72的倒圆台面呈垂直状态，且该坡面与第一填充体72的角度一致；也就是说，第一功能体73的圆台面与第一填充体72的倒圆台面刚好配合；在第一填充体72的上顶部设置有第二功能体74；通过改变第一功能体73也即低频超声收发用功能材料的驱动方向，从而改变低频超声收发的指向性，以便适应不同的应用需求。

实施例6

在实施例1的基础上，本发明提出了一种压电陶瓷的嵌套结构，其剖面结构和截面图如图8～10所示，各自以第一功能体83、第二功能体94以及第一功能体103为的截面为剖面；

在图8中；所述嵌套结构包括壳体81，在壳体81底部安装有圆柱形的第一填充体82；在第一填充体82的顶部安装有第一功能体83，该第一功能体83中包含多个压电柱87；在第一功能体83的上方设置有第二填充体85；在第二填充体85的顶部设置有第二功能体84；第二功能体84的材料可以选压电陶瓷、压电晶体、压电聚合物等材料；其中，第二功能体84采用完整的压电陶瓷块体，没有切缝；第一功能体83的压电柱87可以选择压电陶瓷、压电晶体等材料；由于压电柱87之间具有缝隙86，因此，该缝隙86可以通过填充材料或者就采用空隙方式。

在图9中，所述嵌套结构包括壳体91，在壳体91底部安装有圆柱形的第一填充体92；在第一填充体92的顶部安装有第一功能体93，该第一功能体93为由多个压电柱97和缝隙96构成的空间结构；在第一功能体93的上方设置有第二填充体95；在第二填充体95的顶部设置有第二功能体94；第二功能体94为由多个压电柱99和缝隙98构成的空间结构，缝隙96和缝隙98均可以通过填充材料或者就采用空隙方式；第一功能体93和第二功能体94的压电柱均采用压电复合材料。

图10与图9为同一种嵌套结构，区别在于，其剖截面不同，图10中的所述嵌套结构包括壳体101，在壳体101底部安装有圆柱形的第一填充体102；在第一填充体102的顶部安装有第一功能体103，该第一功能体103为由多个压电柱107和缝隙106构成的空间结构；在第一功能体103的上方设置有第二填充体105；在第二填充体105的顶部设置有第二功能体104；第二功能体104为由多个压电柱109和缝隙108构成的空间结构，缝隙106和缝隙108均可以通过填充材料或者就采用空隙方式；第一功能体103和第二功能体104的压电柱均采用压电复合材料，本实施例给出了不同功能体的结构，图8中，第一功能体为压电陶瓷块体、第二功能体为压电复合材料；图9和图10中，第一功能体和第二功能体都为压电复合材料；当然也可以是，第一功能体为压电复合材料，第二功能体为压电陶瓷块体。

实施例7

在上述实施例的基础上，本实施例提供一种平板式壳体的嵌套结构，如图11所示，将图8～10中的壳体改为一个平板式的防护层111，可以是直接加工而成的圆板，也可以是由液体材料浇注固化而成的防护层，其典型材料可以选聚氨酯透声橡胶、环氧树脂灌封胶、氯丁橡胶等；该防护层111下方安装有第二填充体112，在第二填充体112的顶部安装有第二功能体114；其中第二功能体114以压电柱115和缝隙118的形式存在；在第二填充体112的下方安装有第一功能体113，且第一功能体113以压电柱117和缝隙116的形式存在；且缝隙118和缝隙116可以为填充材料或空隙。填充材料、压电柱、空隙等材料选择与实现方式与图8～10中结构类似。

实施例8

图12给出了各种压电复合材料的制作方式所对应的第一功能体；可以用于图3～7中的第一功能体33、43、53、63、73的功能材料，可以采用压电圆环的压电陶瓷块体121的形式，同样可以用压电复合材料的形式，以1-3型压电复合材料为例，展示了两种压电柱123、125与缝隙122、124的组合方式。

实施例9

本实施例给出了一种超声换能器，如图13所示，包括壳体131以及盖板146，在壳体131内部安装有材料结构；在材料结构上安装有背称层132，在背衬层132的外部设置有去耦材料137，在材料结构上设置多个电极141、142、143、144，并通过导线138向外连接，在材料结构的包覆有吸声密封材料139，在盖板146的外侧设置有连接器140。

为了方面描述，图13中主要包含了填充体以及功能体中压电柱及其周围的缝隙的情况；未展示部分可以参考其他实施例或者其他附图；在本实施例中，所述材料结构包括第二填充体145、第一功能体133和第二功能体134，其中135为第二功能体134中的缝隙，136第一功能体133中的缝隙，即功能体中对应的填充材料或空隙，第二填充体145可以填充材料或空隙，在各个功能体的上方安装有匹配层147、148。

其中，所述材料结构与壳体和盖板共同形成本发明的嵌套结构。

在另一个实施例中，本实施例还给出了图13的一种尺寸设计方式：结构中包括高频和低频压电复合材料两种功能元件，其中高频压电复合材料实现高频超声波的收发，低频压电复合材料实现低频超声波的收发。假设高工作频率为f1，低工作频率为f2，则壳体不同部分的厚度需要与上述2个频率匹配，其中厚度d1为壳体材料(声速c1)在f1频率下对应半波长(c1/(2*f1))的整数倍，厚度d2为壳体材料(声速c1)在f2频率下对应半波长(c1/(2*f2))的整数倍，厚度d3为匹配层材料(声速c2)在f1频率下对应波长的四分之一(c2/(4*f1))，厚度d4为匹配层材料(声速c3)在f2频率下对应波长的四分之一(c3/(4*f2))。

低频压电复合材料工作方式与高频压电复合材料基本相同，通过电极143、143施加交变电压，引起低频压电复合材料的振动，一部分振动信号透过匹配层148、填充材料145、高频压电复合材料、匹配层147、壳体131中厚度为d1的部分到达液体介质；一部分振动信号透过匹配层148、壳体到达液体介质，因此，根据不同的波束需要，需要对填充材料145、壳体131、匹配层147和148的材料进行优化设计，使低频信号的收发达到最佳的效果。

对于相似的结构，图13结构的材料选择与图8～11中的相同，电极141、142、143、144等可以选择金、银、铜、铝等多种金属材料；匹配层147、148可以选择硬质聚氨酯泡沫、玻璃微珠+环氧树脂、氧化铝粉+环氧树脂等多种材料；去耦层137可以采用软木橡胶、软木颗粒+聚氨酯橡胶等多种材料；139为吸声密封材料可采用聚氨酯、环氧树脂等灌封材料加上软木颗粒、玻璃微珠、钨粉等多种材料混合而成。上述材料选择只是一种参考组合，还可根据实际情况采取其它的形式。

在本发明中，壳体主要起固定、支撑和保护作用，可以选金属或高强度塑料；填充材料主要作用是吸声、水密、保护等作用，可以选聚氨酯、环氧树脂等灌封胶，其中还可以添加软木颗粒、玻璃微珠等填充材料；缝隙可以是压电陶瓷块体进行切割后不填充任何材料而形成的空间，也可以是压电圆片(圆环)装入壳体后，不填充任何材料，压电柱与壳体形成的空间。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声换能器的嵌套结构，其适用于超声波液位计，包括壳体，其特征在于，在壳体底部安装有第一填充体；在第一填充体的顶部安装有第一功能体；在第一功能体的上表面的中部设置有向上凸起的第二填充体，在第二填充体的顶部设置有第二功能体；所述第一功能体采用低频超声发射材料，所述第二功能体采用高频超声发射材料；其中所述第二功能体的截面面积小于第二填充体的截面面积；第一功能体的截面面积小于第一填充体的截面面积。

2.根据权利要求1所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述第一功能体为压电圆片或者压电圆环。

3.根据权利要求2所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述第一功能体的厚度大于第二功能体的厚度。

4.根据权利要求3所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述第一填充体的上表面为具有一定倾斜角度的圆台面或者倒圆台面。

5.根据权利要求4所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述第一功能体为与第一填充体相同倾斜角度的圆台或者环柱体。

6.根据权利要求1所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述壳体的顶部为平面盖板、凹形盖板或者凸形盖板。

7.根据权利要求1所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述第一功能体为压电复合材料或者压电陶瓷块体。

8.根据权利要求1所述的一种超声换能器的嵌套结构，其特征在于，所述第二功能体为压电复合材料或者压电陶瓷块体。

9.一种超声换能器，包括基底，其特征在于，在基底的顶部安装包括如权利要求1-8任一所述的嵌套结构。

10.根据权利要求9所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括在嵌套结构上安装有背衬层，在背衬层的外部设置有去耦材料，在嵌套结构上设置多个电极，并通过导线向外连接，在嵌套结构包覆有吸声密封材料，在盖板的外侧设置有连接器。

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