换能器及热量表的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种换能器及热量表。该专利由杭州三花研究院有限公司申请，并于2017年7月11日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及热交换领域，更具体的说，涉及一种换能器及热量表。

发明背景

超声波热量表是利用超声波换能器发射与接收超声波，通过测量超声波在顺、逆流的时间差计算流速的。超声波换能器是超声波热量表的一级传感器，超声波换能器的好坏直接决定了超声波热量表的质量。

一般情况下，超声波换能器是采用压电陶瓷片的压电效应和逆压电效应将电信号转换为超声波信号，经过管段中流动的水后，再将超声波信号转换为电信号。压电陶瓷片的工作环境是高温、高压、浸泡在水中，不经过封装的压电陶瓷裸片，无法在这样的工作环境中正常工作。现有技术中，都是将压电陶瓷片封装上外壳。

超声波换能器的性能参数，如谐振频率，机电耦合系数，机械品质因数、阻抗特性、指向性等，都与压电陶瓷片/的封装工艺有关。不同的封装会导致这些电性能参数不同程度的偏移，进而影响发射与接收效率。另外，压电陶瓷片的封装外壳要保证压电陶瓷片工作在高温、高压、浸泡在水中等恶劣的工作环境中正常使用，不会损坏。因此，压电陶瓷片的封装工艺对超声波热量表的测量精度和正常使用至关重要。

换能器一般采用圆柱形的薄片压电陶瓷片，正反两面分别是正、负电极。现有的压电陶瓷片封装方式是用导电胶将压电陶瓷片与薄膜外壳粘合。现有的换能器技术存在的缺点：压电陶瓷片因长期浸泡在水中或在湿度较大的环境中工作，且容易受外界环境的高温、高压以及静电的影响，信号准确率低且寿命较短。

发明内容

本发明的目的之一在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种换能器；本发明的目的之二在于：解决上述现有技术所述的缺陷提供一种换能器的封装工艺；本发明的目的之三在于：为解决上述现有技术所述的缺陷提供一种超声波热量表。

本发明为解决上述现有技术的缺陷，提供了一种换能器，包括压电陶瓷片和封装所述压电陶瓷片的外壳和底座，所述外壳为一端开口的壳体，所述壳体内侧底部涂有粘胶，所述压电陶瓷片与所述外壳之间通过所述粘胶连接，所述外壳的底部为向下凹陷的弧面底部使得所述粘胶中间的厚度大于边缘的厚度。

优选地，所述外壳为金属制品部件，所述外壳中声音传播的速度为V，用户选定的超声波频率为f，所述外壳的厚度为H，则H≤V/2f。压电陶瓷片所采用的封装外壳的厚度越大，超声波在传递过程中的能量损失越大。而外壳的厚度不可能做的无限小，当外壳的厚度小于或等于超声波的半波长的长度时，超声波在传递过程中受外壳厚度的影响最小，信号的准确率比较高。所述外壳为不锈钢材质部件，所述压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h≥0 .1mm。

本发明的换能器的压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h≥0 .1mm，使得超声波在外壳中传递的过程中能量损失进一步降低，且外界对换能器的压力在外壳和粘胶的弹性形变中被抵消掉，极大地降低了压电陶瓷片在外界压力的作用下被压碎的概率。

优选地，所述粘胶为硅胶，压电陶瓷片与外壳的底部之间在中间部位容纳粘胶的距离大于压电陶瓷片与外壳的底部在外端的距离h。

本发明的换能器将现有技术的导电胶换成弹性好、流动性好、导热性能不好的硅胶，降低了外界高温和静电对压电陶瓷片的影响。流动性好的硅胶在滴入外壳中时会自动流入凹面内，避免了粘胶分布不均，且流动性好的硅胶还能极大地降低粘胶中的气泡含量。从而避免了超声波在传递过程中因粘胶分布不均或粘胶中的气泡而使得超声波信号失真。优选地，所述压电陶瓷片上焊接有正、负极引线，所述压电陶瓷片封装在所述底座中，所述压电陶瓷片的正、负极引线从所述底座的底部引出，所述底座的底部填充有灌封胶将所述引线固定住并将所述压电陶瓷片密封封装。

本发明的换能器中采用灌封胶将压电陶瓷片完全密封封装在底座中使得换能器能适应各种高温高压潮湿的恶劣工况所述底座内部设置有向内延伸的凸缘，所述凸缘上方为填充灌封胶的第二空腔，所述凸缘下方为第一空腔，所述凸缘上还设置有供正负极引线通过的通孔部，所述压电陶瓷片安装在第一空腔中并与凸缘保持一定距离以便在所述压电陶瓷片和灌封胶之间留有空腔。

本发明的换能器中压电陶瓷片和灌封胶之间还留有空腔，这个空腔是用于阻止超声波继续沿相同方向传播。

本发明的换能器封装工艺使得换能器的压电陶瓷片得以密封封装；不受外界高压、高温和静电的影响；且超声波在换能器中传播的能量损失小，能最大化的保证超声波信号的准确接收。使得换能器可以在恶劣工况中长时间正常工作。

本发明为解决上述现有技术的缺陷，还提供了一种超声波热量表，包括密封连接的基表和管段，实际使用的时候管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，所述基表内设有密封安装的控制模块，所述管段设有两个外接端口，所述端口内分别设有密封安装且与控制模块电连接的换能器，所述换能器为上述任一项所述的换能器；所述基表的外壳包括密封连接的上盖和下盖，上盖和下盖的安装接触面设有处于压缩状态的第一密封圈；所述控制模块包括一块PCB板，所述PCB板焊接有电子元器件的表面覆盖有灌封胶以保护PCB板的印刷电路和电子元器件的引脚；所述换能器与端口的安装接触面上分别设有第二密封圈；所述端口通过封盖密封封装，封盖内灌注有将换能器密封封装的灌封胶；换能器与端口的侧壁为间隙配合，换能器与端口侧壁的间隙之间填充有灌封胶。

在超声波热量表中使用本发明的换能器，可以使得本发明的超声波热量表也具有上述换能器的相关有益效果，且本发明的超声波热量表通过多重密封的封装工艺和封装结构使得换能器能不受外界环境因素的干扰，在超声波热量表中更好的实现相关工作特性。

本发明的换能器在实际使用过程中，具有以下有益效果：本发明的换能器通过采用有弧面的外壳封装压电陶瓷片，一方面外壳的弧面结构减小了超声波在穿过外壳的过程中的能量损失；另一方面垂直于压电陶瓷片的压力到达外壳的弧面后分解为延半径方向和垂直于半径方向的两个力，消掉部分压力，减弱了外部对换能器的垂直方向的压力。且外壳和压电陶瓷片的圆心附近两者之间的粘胶厚度因弧面的设置而增大，对外界的压力起到了极大的缓冲作用。避免压电陶瓷因外界压力过大而损坏。