专利名称：一种超声波换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于非接触式物位测量技术，更确切地说，是一种大功率空气测距超声波换能器。
超声波换能器是在其上施加与其机械谐振频率相同和一定幅度的电信号，换能器就按谐振频率振动，同时向空气中发射声波，声波碰到被测物体后返回并被该换能器接收转换成电信号。换能器上发出的信号和接收到的回波信号之间的时间间隔与换能器到物体表面的距离成正比。目前国内外同类产品的换能器结构一般是夹心振子和声阻抗匹配部分组合而成，夹心振子的形式基本上相同，声阻抗匹配部分材料大部分以硬质塑料和泡沫材料为主。这种换能器能提高虽然对机电转换效率有所提高，但大部分的能量直接从匹配层反射回换能器，只有一小部分能量传输到空气中。由于能量反射使得超声波换能器的盲区会很大，测量范围减少，也就是通常说的盲区大，测不远。由于目前的塑料和泡沫材料的防腐性差，所以换能器不能用于腐蚀严重的场所。尽管有些换能器采用PVDF(聚偏氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)做换能器的外壳起防腐作用，由于PVDF及PTFE的声阻抗极高(与空气声阻抗比)，根据阻抗匹配原理Z=(Z1×Z2)1/2(式中Z1为换能器振子声阻抗，Z2为空气声阻抗，Z为匹配材料声阻抗)可知，用PVDF和PTFE做外壳的换能器测距不会远。根据声阻抗匹配原理可知，换能器的性能好坏，声阻抗匹配起决定性作用，也就是说，尽可能地找到或研制一种材料，使声阻抗Z等于Z1乘Z2的开方，以制得盲区小、测距远的超声波换能器。
本实用新型的目的是克服已有技术的缺点，提供一种结构简单、盲区小、测距远且防腐的大功率空气测距超声波换能器。
本实用新型的主要技术方案声阻抗匹配采用渐变法即多次匹配，使用声阻抗从高到低的声阻抗匹配材料，与空气声相阻抗进行匹配，以达到盲区小、测距远的目的。
本实用新型超声波换能器是由夹心振子和声阻抗匹配部分所组成。
本实用新型所述的夹心振子的结构是已知的，是由辐射块、压电陶瓷、极片、匹配块部件构成，其形状包括圆柱型、阶梯型、对称型、非对称型、马蹄型。
本实用新型所述的声抗匹配部分是本实用新型的超声波换能器的重要改进，它是声阻抗从高到低依次为与夹心振子的辐射块相粘结的阻抗匹配金属板、声阻抗匹配材料、辐射膜，通过粘接叠加成层状结构。
所述的粘接用的粘接剂为通常高分子材料粘接用的已知粘接剂。
所述的辐射膜是起声阻匹配及防护的作用，它所用的材料包括聚酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)或塑料薄膜材料。所述的PET材料，厚度为0.1～0.01mm、密度为0.5～1.5g/cm3，所述的PTFE材料，厚度为0.1～0.01mm、密度为0.5～2.5g/cm3，所述的PVDF材料厚度为0.1～0.01mm、密度为0.5～1.8g/cm3，所述的塑料薄膜包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯塑料薄膜，其厚度为0.1～0.01mm、密度为0.5～1.2g/cm3。
所述的声阻抗匹配材料包括高压聚氨酯泡沫以及聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯泡沫塑料，它们的厚度为换能器工作频率的1/4波长、密度为0.05～0.2g/cm3。
所述的阻抗匹配金属板包括钢、铝、钛、镁及合金金属板，其厚度为0.5～4mm。
所述的声阻抗匹配部分的层状材料的尺寸大于、等于或小于与其结合的夹心振子的辐射块接触面的尺寸。
本实用新型的主要优点本实用新型由于声阻抗匹配部分应用多次匹配的渐变法原理，采用三种不同材料叠加成声阻抗从高到低的层状结构，与空气声相阻抗匹配，可保证本实用新型的换能器的机电转换效率达70～80％，盲区很小，探测距离达80～100米，比同类产品提高近一倍，在性能和价格上优于国内外同类产品；而且本实用新型工艺简单，实用性广。
以下结合附图进一步说明本实用新型的结构特点。


图1为本实用新型换能器结构示意图。
由图1所示，本实用新型超声波换能器是由辐射膜1、声阻抗匹配材料2、阻抗匹配金属板3、辐射块4、两块压电陶瓷5、极片6、匹配块7所构成，其中辐射膜1、声阻抗匹配材料2、阻抗匹配金属板3粘结组成声阻抗匹配部分的层状结构；由与声阻抗匹配部分的阻抗匹配金属板3相粘接的辐射块4以及两块压电陶瓷5、极片6、匹配块7组成马蹄型超声波换能器夹心振子。所述的极片6夹在两块压电陶瓷5中间。
权利要求1．一种超声波换能器，包括由辐射块4、压电陶瓷5、极片6、匹配块7构成的夹心振子，其特征在于与夹心振子粘接在一起的声阻抗匹配部分是声阻抗从高到低依次为与夹心振子的辐射块4粘接的阻抗匹配金属板3、声阻抗匹配材料2、辐射膜1，通过粘接叠加成层状结构。
专利摘要本实用新型是一种超声波换能器,其特点在于与普通夹心振子式(活塞式)超声波换能器振子相粘接的声阻抗匹配部分是由辐射膜、声阻抗匹配材料和阳抗匹配金属板,通过粘接方式叠加而成的层状结构。本实用新型是一种大功率空气测距超声波换能器,机电转换效率极高,盲区很小,探测距离远,而且工艺简单,造价低,实用性广。
文档编号G01F23/296GK2459632SQ00261518
公开日2001年11月14日 申请日期2000年11月10日 优先权日2000年11月10日
发明者周雷, 王永本, 张桦, 张际华 申请人:周雷, 王永本, 张桦, 张际华