AN005_超声波换能器设计解析

AN104-2011

超声波流量换能器设计

1.引言

本文件旨在说明超声波流量换能器设计，主要内容包括组成、结构和封装及技术要求。本设计的超声波换能器应用于超声波热量表，超声波水表的流量测量应用。

2.组成

超声波换能器由压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、接线板、挡圈和金属外壳组成，如图2-1所示。

3.1外壳

换能器外壳结构尺寸如图3-1所示。整个外形为凸台圆柱体，它分为上下两个部分，上部分为开放的圆柱体，其外形制成外螺纹和卡口形状，用于安装时支撑和固定整个壳体。下部分为封闭圆柱体，其凸出面作为声波辐射面。壳体内部为两个不同直径的腔室，其中下腔室称为压电腔，用于安装压电片和填充吸声材料，而上腔室用于安装接线板和挡圈，称为接线腔。这两个腔室连通在一起并保持同轴同心。在制造换能器外壳时应注意以下几点：

•材料选取：采用无铅秘磷黄铜捧材车制加工，如C3604、C3771或HPB59-1等。以上标号材料的

声速大约为4270～4400米/秒。

•加工精度：下腔室内外表面的光洁度应满足▼6以上要求，厚度1mmm，公差±0.05mm

•内腔室端部应无毛刺，且平整光滑。

图3-1 换能器外壳尺寸

3.2压电片

压电式超声波换能器是利用压电片的压电效应原理来工作的。当超声波发射振子（换能器）通以电脉冲信号时，由于振子的机械振动会产生超声波信号，因此能在固体和流体中传播，超声波频率取决于振子的固有谐振频率。超声波换能器的性能好坏取决于压电晶片的技术性能和合理的结构设计。表3-1给出超声波流量换能器的基本参数要求。

表3-1 压电片的基本参数

参数描述

压电类型锆钛酸铅（PbTi03-PbZr03），尺寸：ф10×1mm

谐振频率（F S）2MHz±8%

谐振阻抗（F R）1Ω

机电耦和系数（K P）≥0.65

静电容（C0）1350pF±15%

耦合因子（Kt）0.44

压电电荷常数（d33）520 × 10-12 C / N

居里温度≥260℃

导电胶材料特性DB5015耐高温银粉导电胶

吸声材料环氧树脂与钨粉按比例1:4混合

壳体材料62H黄铜

压电片材料的物理性质，尺寸与形状都与传感器特性密切相关。本设计选择ANN-P5F-1001压电片,其主要技术参数：

•压电材料：锆钛酸铅（PbTi03-PbZr03）

•厚度频率：2.0MHz ± 5％

•静电容：1350pf ± 12.5％

•耦合因子（Kt）：0.44

•耦合系数（Kp）：0.64

•压电电荷常数（d33的）：520 × 10-12 C / N

•最高工作温度：260℃

3.3高温导电胶

高温导电胶具有以下几个作用：

•用于两种不同界面的声耦合剂（压电片与铜材料）；

•通过粘贴方式固定压电片；

•通过导电胶粘合实现压电片与铜外壳的电连接，并将外壳作为大面积接地极，有效提高电磁兼容性能。

高温导电胶选用DB5015，其主要特性：

•由环氧树脂、银粉和固化剂配制而成的无溶剂型导电胶，导电性能十分优良

•适用于金属与金属、金属与非金属之间有导电要求的粘接，特别适用于锡焊不方便的场合。例如铜、铁、铝、金、银等多种金属与压电晶片、导电陶瓷等元件的连接

•体积电阻率为10-3～10-4Ω/cm

•工作温度范围：-40～120℃

•包装规格：DB5015为100g/套，双组份，无机硅铝酸盐材料，导电材料为银粉，可耐高温达1200℃，也可选用DB5016高强度银粉导电胶：包装规格：100g/套，双组份

•固化时间：常温12小时，80℃时2小时（参见说明书）。

3.4吸声材料

在压电振子的背面填充吸声材料，用于吸收和抑制压电振子的反向振动波，以获得纯净的单脉冲发射波形。吸收材料是采用双组份的S2116高弹性电子灌封胶，灌封时具有良好的流动性，固化后具有良好的吸声性能，其固化性能：

•体积电阻系数，Ω/cm：≥1014

•介电常数：2.7～3.3

•击穿电压KV/mm：≥15

•硬度：A16

•拉伸强度Mpa：0.4

•伸长率:150%

•吸收系数：≥0.6（频率2MHz）

3.5导电柱

导电柱用于压电片与接线板之间的过渡连接，其中压电片一端采用导电胶粘接或焊接，而接线板一端采用压接。采用粘接时使用DB5015，采用焊接时应使用低温焊接材料，导电柱的外形尺寸如图3-2所示。在粘接或焊接导电柱时，应将压电片固定在夹具上，并保证导电柱与压电片保持垂直和同心，中心偏差±0.1mm。

图3-2 导电柱尺寸

3.6接线板

接线板用于压电片与电缆之间的缓冲连接装置，以保护压电片不受电缆焊接应力的影响，这一点非常重要。接线板采用厚度1mm的双面覆铜板制成，通过绘图布线进行加工。要求中心孔与导电柱配合压接，并要求接线板采用孔化、镀金处理，如图3-3所示。

J1

J2

图3-3 接线板布线图

3.7挡圈

挡圈用于卡固接线板。挡圈采用标准件，其外径应与壳体上腔室内壁螺纹动配合，可旋进安装。安装需采用专用卡钳。孔用挡圈规格参见附表，加深色为推荐规格。

3.8引出电缆

在以上部件组装并测试合格之后，在焊接引出电缆并采用电子胶灌封，已达到IP68防护标准。电缆采用2×0.2mm2的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm。

4.装配前工作

4.1装配要求

1. 在装配之前必须对各部件进行检测，凡是不合格的部件禁止上线。

2. 由于各部件体积较小，手工操作不便，所以需要制作一些工装夹具，以保证顺利装配。

3. 准备必要的测试仪器，以检验各部件和整个换能器的产品性能。

4. 装配人员在操作时需戴保护手套，防止汗水沾污元件。

5．装配压电片要格外小心，禁止用尖状硬物夹持元件，以防止元件表面镀银层被划伤或破损。

4.2元件外观检查

在装配之前应对各元件进行外观检查，外观应符合表4-1要求。

表4-1 元件外观要求