[实用新型]一种由压电圆环构成的超声波传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种距离测量用超声波传感器，属于长度测量特别是物体位置测量技术领域。

技术背景

现有的常见的用于物位测量的超声波测距仪、超声波物位计等所使用的超声波传感器通常采用夹心式换能器制作，夹心式换能器由压电陶瓷片及前后电极构成，其中的一个电极粘附有过渡层作为声波发射端。对于大量程的传感器来讲，其必须有足够的能量辐射能力，要求压电陶瓷片的截面积很大，厚度也大，前后粘附的电极也相应增大，这样的超声波传感器制作比较困难，成本高，其重量也大，工作时需要上千伏的电压驱动，对电路的要求较高。

实用新型内容

本实用新型提出了一种新的超声波传感器结构，具有性能优异，测量量程大，盲区小，声波发射的指向性好的特点，而且重量轻、驱动电压低、制作容易。

该结构的传感器由压电陶瓷圆环及外部喇叭型辐射腔和内部的锥体构成。压电陶瓷圆环安装在辐射腔的中间底部，辐射腔内侧面相对成约90度圆角，其偏差应小于3度，即与喇叭型辐射腔中心线处于同一平面的辐射腔内侧面上任意两条线段相对成约90度角，压电陶瓷圆环通过其外侧面发射超声波，声波传播到喇叭型辐射腔的内侧面转变方向后向外辐射，使超声波能够沿喇叭辐射腔中心线的方向集中发射出去。压电陶瓷圆环的外侧表面由塑料或橡胶等材料包敷，以保护圆环外侧的金属膜；压电陶瓷圆环的内侧底部粘附或填充阻尼材料，以减小压电陶瓷圆环在发射完超声波后的余振，有效减小近距离处的检测盲区，阻尼材料填充的越多，阻尼作用越大，压电陶瓷圆环的余振越小，盲区越小，而发射及接受信号的能力也相应减低，可以选择橡胶作为阻尼材料，如硅橡胶。

压电陶瓷圆环内侧粘附或填充软性阻尼材料后仍存在有一定的空间，需要对该空间进行处理，因为在该空间内存在由压电陶瓷圆环内侧产生的超声波，这部分声波会影响整个超声波传感器的性能，干扰有用信号的正常接收，采用如下方式不仅能够消除上述影响，还能够明显增大发射和接收超声波信号的能力，显著提高测量量程，同时还能够大大提高传感器声波发射的指向性。

在压电陶瓷圆环内侧余下的空间放置一个锥体，锥体顶端向外，锥体顶端为一柱形结构。压电陶瓷圆环内部安装的椎体外侧面形成的锥角角度应与圆环内侧面和圆环上表面形成的角度相同，即锥体外侧面上的与喇叭型辐射腔中心线处于同一平面的任意两条线段所成角度应与同一平面上的圆环内侧面和圆环上表面上的线段形成的角度相同，这样能够使圆环内侧面发出的大部分超声波传播到圆锥体表面后向外辐射出去，其辐射方向与圆环外侧面发射的超声波最后的辐射的方向相同，显著增大发射信号能量，同时被反射回来的超声波能够被圆锥体表面转移传播方向而辐射到压电圆环内侧面，显著增加了接收信号的能量。锥体顶端的柱形结构能够进一步有效消除圆环内部向其他无用方向发射的信号能量，显著提高超声波传感器声波发射的指向性。当压电圆环内侧为圆柱形时，内部所放置的锥体为圆锥形，圆锥角为90度，圆锥侧面与圆环侧面相对成45度角。

由于这种结构的超声波传感器主要是通过压电陶瓷圆环的外侧面向外发射超声波，圆环的外侧面面积较大，因而向外辐射的超声波能量也较大，使传感器具有较大的量程，同时圆环内部的锥体结构能够进一步明显增大发射和接收超声波信号的能力。而这种结构超声波传感器制作是容易的，重量轻，驱动电压低，制作成本低，性能优异。

附图说明

图1为本实用新型超声波传感器具体实施例结构示意图。

其中：

1压电陶瓷圆环2喇叭型辐射腔3聚乙烯包覆层4安装螺纹5压电陶瓷圆环底座6固定螺栓7隔离橡胶垫8引出电缆9硅橡胶10圆锥体11圆锥体顶部圆柱

具体实施方式

本文提出1个优选的具体实施例(非限定的)，具体详述如下。

以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型的超声波传感器由压电陶瓷圆环1及喇叭型辐射腔2和圆锥体10构成；压电陶瓷圆环1外径为50毫米，内径为40毫米，高度为30毫米，由聚乙烯塑料层3包覆，塑料层3的厚度为2毫米，压电陶瓷圆环1粘接在聚乙烯底座5上，之后由固定螺栓6将压电陶瓷圆环固定在喇叭型辐射腔2的底部，中间由软性材料橡胶垫7隔离；8为从压电陶瓷圆环1引出的信号电缆；压电陶瓷圆环1的内侧底部由硅橡胶9填充，由聚乙烯塑料注塑而成的圆锥体10安装在硅橡胶9的前部；圆锥体10外侧面与压电陶瓷圆环内侧面成45度角，圆锥体10的顶部为小圆柱11，高为8毫米，外径为6毫米；喇叭型辐射腔2内侧面相对成90度圆角，即与喇叭型辐射腔2中心线处于同一平面的辐射腔内表面上任意两条线段相对成90度角；为便于传感器的安装，在喇叭型辐射腔2的后部设计有安装螺纹4。