[实用新型]一种双声程双压电片超声波换能器

说明书

技术领域

本实用新型涉及换能器，是一种双声程双压电片超声波换能器。

背景技术

换能器的应用范围较广泛，不同领域中使用的换能器结构有很大差异。目前专用于超声波燃气表测量流量的普通超声波换能器，由于燃气组份、压力、温度随时发生变化，因此，介质的静止声速极难获得，而准确获得介质的静止声速是准确测量气体流量的必备条件。市场上普遍使用的单晶片超声换能器获得介质声速的方法是通过提高超声波的发射功率以提高接收首波的幅度，对接收信号采用高速ADC采样，然后从接收的波形中估算出声超波的传播时间，然后再进一步计算出声速。这种结构的不足是，发射电压高，功耗较大，安全性较低，高速ADC的价格昂贵，另外，CPU处理时必须要求在短时间内完成， 对CPU的性能要求较高，小流量测量误差较大，Qmin误差一般在3%-5%左右。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种双声程双压电片超声波换能器，它采用双压电片，在介质中产生双声程，主、辅压电片之间存在固定的声程差，用声程差进行声速测量，从而达到精确测量介质静止声速的目的，以解决现有技术的不足。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案：一种双声程双压电片超声波换能器，包括外壳，外壳上设置环形凸台，环形凸台上开设圆形槽，环形凸台外壁处开设环形安装槽，环形安装槽内安装环形辅压电片，环形辅压电片的上表面设置辅压电密封声阻抗匹配层，圆形槽内安装圆形主压电片，圆形主压电片的上表面设置主压电密封声阻抗匹配层，环形辅压电片的内径大于圆形主压电片的直径，圆形主压电片与环形辅压电片在垂直方向设置固定距离，环形凸台中部开设第一引线孔，第一引线孔内设置第一导线，第一导线穿过外壳位于外壳外部，外壳下部填充封胶层。环形凸台的上边沿高于外壳的上边沿，环形凸台上部外表面为圆锥面。所述圆锥面的底端与外壳的上边沿位于同一平面内。环形安装槽内开设第二引线孔，第二引线孔内设置第二导线，第二导线一端穿过封胶层位于外壳外部。所述圆形主压电片和环形辅压电片均由压电晶体材料或者压电陶瓷材料制成。圆形主压电片的中心线与环形辅压电片的中心线为同一中心线。主压电密封声阻抗匹配层的上表面与辅压电密封声阻抗匹配层间设置固定的距离。

本实用新型的优点在于：它采用圆形主压电片、环形辅压电片两个压电片，在超声波燃气表中使用时使被测介质内产生两个声程，用两个声程间的声程差测量介质静止声速，从而测量气体流量。本实用新型所述的带有圆形主压电片和环形辅压电片两个压电片的换能器结构，能在声的传播方向上相差一个固定距离，这个距离在介质最短声波波长的（N+x）倍，最佳设计是N=0，x=0.6至0.8之间，也就是在一个波长内。换能器使用时装在流速屏蔽管内，流速屏蔽管的两端安装换能器，由于流速屏蔽管的屏蔽作用，在换能器前面会形成一个介质流速为0的区域，两个换能器之间由于主、辅压电片的存在，会形成两个声程，主声程的长度小于辅声程的长度，在同一个换能器上的主、辅压电片之间的声波差程中，由于流速屏蔽管的作用，在声波差程中介质流速为0，通过测量主、辅压电片接收到的信号相位时间差，就可以根据主、辅声程差计算出准确的声速，由于在这段差程中介质流速为0，因此测量得到的声速就是介质静止声速。由于本实用新型能够利用主、辅压电片的声程差准确测量得到介质静止声速，因此能够准确测量得到介质的流速，从而提高了超声波燃气表的测量准确度。

本实用新型的换能器安装在气体或流体管道内的两端，当其中一个换能器的圆形主压电片发射超声波时，另一个换能器的圆形主压电片先接收到超声波信号，然后环形辅压电片再接收到信号，这样，另一个换能器的圆形主压电片和环形辅压电片之间产生一个声程差，接收到的信号之间有一个时间差。圆形主压电片、环形辅压电片的信号通过“过零”整形后，用鉴相器可以精确测量到该时间差，然后再根据圆形主压电片、环形辅压电片的声程差算出介质的声速，由于换能器的圆形主压电片和环形辅压电片间的介质流速为零，测量到的声速就是介质静止时的声速。目前的脉冲扩展的数字鉴相器的精度可以做到0.1ns-0.3ns，当圆形主压电片、环形辅压电片的声程差为2mm时，声速的测量精度可达到0.01-0.05m/s。经检测，本实用新型的换能器在超声波燃气表中应用时的流量测量误差为0.1%-0.4%。本实用新型所述的换能器仅需24V以内的发射电压，使用安全性高，功耗低，涉及的电路工作电压范围在高压CMOS范围内，易于实现超声波燃气表专用处理电路的集成化，对CPU要求低，能够对接收信号全部采用“过零”比较，然后进行脉冲扩展鉴相实现时间差的测量，电路处理简单，制造成本低等。