專利名稱：一種防腐型超聲波換能器的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種防腐型超聲波換能器，具體地講是涉及一種工業測距用超聲波換能器，特別是涉及利用超聲反射原理測量腐蝕性液體液位的超聲波液位計所使用的超聲波換能器。
現有
背景技術：
中，公知的測距用超聲波換能器，一般采用下列幾種方式1.壓電晶體直接輻射型由平面形或酒杯形的壓電晶片直接輻射超聲波，其中平面形還需加喇叭口對超聲波進行聚焦，使其具有較好的指向性，由于壓電晶片與空氣直接接觸，所以在潮濕或含有腐蝕性氣體的環境中不能應用。
2.金屬封閉型由封裝在金屬殼體內的壓電晶片驅動金屬制成的換能輻射板發射超聲波，由于換能輻射板材質多為銅或不銹鋼，在含有強腐蝕性酸霧氣體環境中不能使用。
3.防腐封閉型與金屬封閉型結構相似，不同之處是換能輻射板上包覆有特種塑料或橡膠制成的防腐層。如用圓筒形壓電晶體徑向發射超聲波，還需用一個尺寸較大的由耐腐蝕材料制成的漏斗狀反射器對超聲波進行聚焦，使其具有較好的指向性。
上述公知的1、2兩種超聲波換能器，因不耐腐蝕性氣體的腐蝕，在測量酸堿液位時不能使用。目前已公開的各種防腐型換能器，由于輻射板外表包覆有聲學性能差異很大的柔性防腐材料，在發射和接收超聲波過程中，有相當部分能量被防腐層吸收或反射而損失掉。使得換能器的電/聲轉換效率、接收靈敏度大大下降，測試盲區較大，通常達0.5～1.2m。因此不得不使用較高的驅動電壓和驅動功率，造成驅動電路的復雜化。由于防腐材料(特別是塑料)與金屬換能輻射板的結合比較困難，而且防腐層的厚度對超聲波的傳輸有很大影響，因此防腐式換能輻射板的制作工藝十分復雜。有時在單個換能器的功率難以提高的情況下，為了得到較大探測距離和較好的指向性，常常使用多個換能器排成陣列形式同時發射超聲波，使得換能器自身體積龐大，制造成本增加，安裝十分不便。
本發明的目的是提供一種新型的防腐型超聲波換能器，該換能器直接利用耐腐蝕剛性材料與壓電晶片制成一體作為換能輻射板，本換能器克服了現有公知的防腐型換能器上述各項之不足，具有很好的防腐性能，很高的靈敏度，極好的指向性，很小的盲區，構造和制作工藝也十分簡單。
本換能器中，換能輻射板可以采用任意一種能夠與壓電晶片前電極牢固粘結，且對超聲波具有良好傳輸性能，具有一定剛性的單一耐腐蝕材料如塑料、環氧樹脂、陶瓷等，與壓電晶片前電極制成一體，作為換能輻射板。具體成型工藝可根據輻射板選用的不同材質，采用澆注、壓注或粘接等方式，將上述輻射板裝配在換能器殼體前端，殼體后端裝有密封后蓋，構成本發明主體。上述換能輻射板結構，改變了現有防腐型換能輻射板-金屬板外包覆耐腐蝕材料層結構形式，采用單一剛性耐腐蝕材料制作換能輻射板，不僅能夠保持超聲波的傳輸性能不變，更重要的是避免了已有技術中，超聲波在金屬板面與耐腐蝕層之間的反射損失，從而大大地提高了換能器的傳輸效率和靈敏程度，而且可以保證換能器具有很好的密封性能及耐腐蝕性能。
本發明采用的技術手段十分簡單，但其效果是十分明顯的。采用同樣的壓電晶片和測試條件，當被測試距離選定為3.0m時，標準橡膠防腐封裝狀態下測試結果與改用本發明方案封裝測試結果對比，本換能器的測試靈敏度可提高十幾倍。具體測試數據見下表
由上表測試結果對比可以看出，上述特殊結構設計其使用效果是令人滿意的，因此可以說，本發明的完成又為工業液位測量提供了一種新型的測距用超聲波換能器。
下面結合附圖
，介紹本發明具體實施例。
附圖中，換能器的圓筒形或長方形殼體1，其材質可以為任一種耐腐蝕的物質，如塑料、陶瓷等。超聲波平面輻射板2，同時也是支撐前電極3、壓電晶片4和后電極5的節點，與前電極粘結制成一體。平面輻射板其材質可以為任一種能夠與前電極牢固粘結的剛性耐腐蝕的物質，如塑料、陶瓷、環氧樹脂。硬橡膠制成的反射阻尼板6，粘附在后電極5上面。材質與平面輻射板相類似的隔板8，將換能器殼體內分隔為兩個獨立的密封空腔，澆注厚度為10～20mm。在反射阻尼板6與隔板8中間及隔板與后蓋10中間填滿了吸聲材料7，如海綿。上述技術措施有利于提高換能器的轉換效率和靈敏度。前置放大器9，固定在由環氧樹脂構成的隔板8上。用于將換能器輸出的回波信號放大到足夠強度后再送至指示儀表，這種做法在換能器距離指示儀表較遠時是十分必要的。塑料后蓋10，在外引線接好后應進行良好的密封，防止腐蝕性氣體進入換能器內部。預先置入輻射板2內的溫度傳感元件11，將環境溫度轉換為相應的電流信號，供指示儀表進行溫度補償，提高測量精度。
在附圖中可以看到，整個換能器外殼及換能輻射板皆由耐酸堿腐蝕的材質構成，塑料殼體1內壁與平面輻射板2接觸部位都進行了粗糙化處理，以增加與平面輻射板的粘合強度。全封閉的結構使之具有良好的防腐性能?？稍趷毫拥墓ぷ鳝h境中長期正常應用。由于前電極3是在平面輻射板2成形時放入其中的，與平面輻射板結合十分緊密可靠，提高了轉換效率。平面輻射板的最適宜厚度可在8.5～33.0mm之間，反射阻尼板6與外殼內壁保持一定間隙，該間隙可為0.1～1.5mm，可用柔性輕橡膠充填，也可不充填。
本發明結構簡單，造價低，測試效果非常好，因此亦可在其它非腐蝕性應用領域中推廣使用。本發明中采用環氧樹脂做輻射板面時，其材料需要進行改性處理，可向環氧樹脂中加入增塑劑和充填劑，以降低輻射板面的脆性，增加其硬度。
權利要求
1.一種全封閉的超聲波換能器，由密封在殼體[1]內的壓電晶片[4]、換能輻射板[2]、反射阻尼板[6]及密封后蓋[10]構成，其特征在于所說的壓電晶片[4]的前電極[3]與具有一定剛性的單一耐腐蝕材料，采用澆注、壓注或粘結方式制成一體，構成換能輻射板。
2.根據權利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于壓電晶片[4]的后電極[5]上粘附有與殼體[1]內壁保持一定間隙的反射阻尼板[6]。
3.根據權利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于所說殼體[1]內反射阻尼板[6]與后蓋[10]之間設有隔板[8]，將殼體[1]分隔成兩個獨立的密封空腔。
4.根據權利要求3所述的超聲波換能器，其特征在于所說的獨立密封空腔內分別填充有吸聲材料。
5.根據權利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于所說的輻射板[2]內預先置入溫度傳感元件[11]。
6.根據權利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于所說的輻射板[2]是采用塑料、環氧樹脂、陶瓷任一種材料制成。
全文摘要
一種用于工業測量腐蝕性液體液位的超聲波換能器，其結構采用全封閉方式。由密封在塑料殼體內的壓電晶片和具有一定剛性的單一耐腐蝕材料如塑料、環氧樹脂、陶瓷等制成一體，構成換能輻射板。本發明采用簡單的結構方式，取得了很高的轉換效率，很小的盲區和很好的指向性，與現有的各種公知防腐型換能器比較，可提高檢測靈敏度十幾倍以上，是一種適用于反射測距法測量液位的超聲波換能器。
文檔編號G01F23/28GK1096099SQ93111199
公開日1994年12月7日 申請日期1993年5月31日 優先權日1993年5月31日
發明者董志偉 申請人:大連渤海電子工程公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
