全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器的制造方法
【專利摘要】全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，包括傳感器外殼、被壓緊裝置固定于所述傳感器外殼中的聲頭，所述聲頭與電纜相連，所述聲頭外部設(shè)有鈦合金工作端面板，所述聲頭與所述與鈦合金工作端面板之間設(shè)有耦合層，所述聲頭朝向耦合層的一端設(shè)有匹配層，所述匹配層與所述壓電陶瓷晶片相連。本發(fā)明具有以下有益效果：1）本發(fā)明的流量傳感器既可以測量氣體流量，也可以測量液體流量；2）本發(fā)明的流量傳感器抗干擾性強，測量精度高。
【專利說明】全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流量傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種全鈦合金封裝的超聲波氣液兩用流量傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲波流量傳感器是目前國際通用的超聲波流量計的核心部件，一般采用多脈沖技術(shù)、信號數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯技術(shù)，使流量儀表更能適應(yīng)現(xiàn)場的環(huán)境，計量更方便、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確?？蓮V泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)域。
[0003]超聲波傳感器采用時差法測量流體流速時，其中工作原理是在規(guī)定截面積的流體流路上下游分別安裝一個超聲波傳感器，上下游超聲波傳感器一個發(fā)射超聲波、一個接收超聲波，交替工作，超聲波在順逆兩向傳輸時，其傳播速度與流體速度有疊加，這樣順逆兩向超聲波傳播時間就存在時間差，依此可以計算流體流速，進(jìn)而得出流量值。
[0004]現(xiàn)有的超聲波流量傳感器都是單一的測量一種流體，如采用彎曲振動方式的換能器在采用全鈦合金封裝也能夠測量常壓狀態(tài)下的氣體，但是無法測量液體流量；采用徑向振動模式的換能器無法進(jìn)行鈦合金封裝，否則無法工作，也不能夠測量液體流量；采用厚度振動模式的換能器無法測量氣體流量，只能夠測量液體流量。因此，目前還鮮有既可以測量常壓氣體的流量、也可以測量液體流量的超聲波流量傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種全鈦合金封裝的超聲波氣液兩用流量傳感器。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0007]全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，包括傳感器外殼、被壓緊裝置固定于所述傳感器外殼中的聲頭，所述聲頭與電纜相連，所述聲頭外部設(shè)有鈦合金工作端面板，所述聲頭與所述與鈦合金工作端面板之間設(shè)有耦合層，所述聲頭朝向耦合層的一端設(shè)有匹配層，所述匹配層與所述壓電陶瓷晶片相連。
[0008]本發(fā)明中采用的壓電陶瓷晶片，中心頻率250kHz，在壓電陶瓷晶片與鈦合金工作端面板之間有匹配層，該匹配層由鎢粉和環(huán)氧樹脂經(jīng)過熱壓成型制備，該匹配層按照聲阻抗匹配原理設(shè)計，采用多層匹配的方式。聲阻抗匹配計算公式:定義壓電陶瓷晶片的聲阻抗值為Ztl,匹配層的聲阻抗值為Z1，測量介質(zhì)的阻抗值為Z2，則有=Z1= SQRT(Z0^Z2)。比如，在20°C，I個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下，空氣的聲阻抗值大約在408RayI，復(fù)合材料壓電陶瓷的聲阻抗值大約在2MRayl，因此匹配層的阻抗值約為0.0286MRayl。
[0009]本發(fā)明中的耦合層由環(huán)氧樹脂與硅橡膠經(jīng)過熱壓成型制備。
[0010]鈦合金工作端面板采用共振技術(shù)設(shè)計，即在邊緣限制的情況下該端面的n(n=l, 3，5，7，…)次諧振頻率為250kHz。根據(jù)鈦合金材質(zhì)的硬度、楊氏模量、直徑等參數(shù)，選擇合適的厚度，即可得到η次諧振頻率為250kHz的鈦合金工作端面，與壓電陶瓷晶片的中心頻率匹配產(chǎn)生共振，該共振設(shè)計可以使換能器達(dá)到在全鈦合金封裝的狀態(tài)下測量常壓的氣體流量。此外，鈦合金工作端面板具有一定的厚度，振動方式采用厚度振動，能夠用于液體測量。
[0011]作為優(yōu)選，所述聲頭中填充有吸聲背膠。吸聲背膠可以使吸音棉背膠等材料，起到吸音、隔音的效果，使測量不被干擾，該吸聲背膠優(yōu)選為填充有聚硫橡膠粉的環(huán)氧樹脂。
[0012]作為優(yōu)選，所述壓緊裝置包括設(shè)于傳感器外殼一端的彈簧壓緊螺絲，所述彈簧壓緊螺絲與所述聲頭之間設(shè)有彈簧。
[0013]當(dāng)聲頭被安裝在傳感器外殼中時，通過彈簧和彈簧壓緊螺絲將聲頭壓緊在耦合層上，并將該耦合層壓緊在鈦合金工作端面板上，使得測量能夠順利進(jìn)行。
[0014]作為優(yōu)選,所述鈦合金工作端面板的厚度為2mm_2.03mm,直徑為16.8mm-17mm,面板兩端平行度優(yōu)于0.02mm。此機構(gòu)的鈦合金工作端面板，能產(chǎn)生更好的厚度振動，使測量更方便。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:1)本發(fā)明的流量傳感器既可以測量氣體流量，也可以測量液體流量；2)本發(fā)明的流量傳感器抗干擾性強，測量精度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0018]見圖1，全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，包括傳感器外殼14、被壓緊裝置固定于所述傳感器外殼14中的聲頭，所述聲頭與電纜相連，所述聲頭外部設(shè)有鈦合金工作端面板1，所述聲頭與所述與鈦合金工作端面板I之間設(shè)有由環(huán)氧樹脂與硅橡膠經(jīng)過熱壓成型制備的耦合層2，所述聲頭朝向耦合層2的一端設(shè)有由鎢粉和環(huán)氧樹脂經(jīng)過熱壓成型制備的匹配層3，所述匹配層3與所述壓電陶瓷晶片4相連，所述聲頭中填充有吸聲背膠5，該吸聲背膠5為填充有聚硫橡膠粉的環(huán)氧樹脂，用于消除聲音干擾。所述壓緊裝置包括設(shè)于傳感器外殼14 一端的彈簧壓緊螺絲15，所述彈簧壓緊螺絲15與所述聲頭3之間設(shè)有彈簧8 ;所述鈦合金工作端面板I的厚度為2mm-2.03mm,直徑為16.面板兩端平行度優(yōu)于0.02mm。
[0019]本實施方式中，鈦合金工作端面板I為一個精加工的鈦合金圓片，厚度為2mm(-0, +0.03mm),直徑為17mm(-0.2mm, +0),圓片兩端平行度優(yōu)于0.02mm,通過激光焊接在傳感器外殼14上面。焊接時采用工裝定位，確保鈦合金工作端面板I與傳感器外殼14的軸心垂直。
[0020]傳感器的聲頭由匹配層3、復(fù)合材料制成的壓電陶瓷晶片4、吸聲背膠5、聲頭外殼6、絕緣密封膠7、MCX接頭插座組成。壓電陶瓷晶片4背部點焊有芯線導(dǎo)線10與MCX接頭插座的MCX接頭芯線電極11相連，壓電陶瓷晶片4側(cè)面底部邊緣點焊有屏蔽層導(dǎo)線9與MCX接頭插座外殼12相連。MCX接頭插座外殼12上有螺紋，通過螺紋連接安裝在聲頭外殼6上，兩根導(dǎo)線用絕緣密封膠7封裝在聲頭外殼6里面。匹配層3為組合膠通過模具固化而成的層狀結(jié)構(gòu)，固化時也將點焊好導(dǎo)線的復(fù)合壓電陶瓷晶片4同時固化在一起。固化好在一起的匹配層3與壓電陶瓷晶片4再用吸聲背膠5粘在聲頭外殼里。
[0021 ] 將傳感器聲頭抹上耦合劑后尾部套上彈簧8后放入到傳感器外殼14里，耦合劑形成耦合層2，彈簧壓緊螺絲15擰緊后就可以壓縮彈簧8，從而使傳感器聲頭與鈦合金工作端面板I緊密貼合。
[0022]聲頭中的壓電陶瓷晶片的中心頻率250kHz，定義復(fù)合壓電陶瓷晶片的聲阻抗值為Z0,匹配層的聲阻抗值為Z1，測量介質(zhì)的阻抗值為Z2，則有=Z1= SQRT(Z0^Z2)。
[0023]本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于以上實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，包括傳感器外殼(14)、被壓緊裝置固定于所述傳感器外殼(14)中的聲頭，所述聲頭與電纜相連，其特征在于，所述聲頭外部設(shè)有鈦合金工作端面板(1)，所述聲頭與所述與鈦合金工作端面板(I)之間設(shè)有耦合層(2)，所述聲頭朝向耦合層(2)的一端設(shè)有匹配層(3)，所述匹配層(3)與所述壓電陶瓷晶片(4)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，其特征在于，所述聲頭中填充有吸聲背膠(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，其特征在于，所述壓緊裝置包括設(shè)于傳感器外殼(14) 一端的彈簧壓緊螺絲(15)，所述彈簧壓緊螺絲(15)與所述聲頭(3 )之間設(shè)有彈簧(8 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全鈦合金封裝超聲波氣液兩用流量傳感器，其特征在于，所述鈦合金工作端面板(I)的厚度為2mm-2.03mm,直徑為16.面板兩端平行度優(yōu)于.0.02mm。
【文檔編號】G01F1/66GK104359516SQ201410621761
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】王成剛 申請人:寧波美卓倫儀表有限公司