AN005_超聲波換能器設(shè)計(jì)

1、AN104-2011超聲波流量換能器設(shè)計(jì)1.引言本文件旨在說明超聲波流量換能器設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括組成、結(jié)構(gòu)和封裝及技術(shù)要求。本設(shè)計(jì)的超聲 波換能器應(yīng)用于超聲波熱量表，超聲波水表的流量測量應(yīng)用。2.組成超聲波換能器由壓電片、導(dǎo)電膠、吸聲材料、導(dǎo)電柱、接線板、接線板、擋圈和金屬外殼組成，如圖2-1所示。接線板圖2-1超聲波流量換能器組成3 .元件說明3.1 外殼換能器外殼結(jié)本尺寸如圖 3-1所示。整個(gè)外形為凸臺圓柱體，它分為上下兩個(gè)部分，上部分為開放的 圓柱體，其外形制成外螺紋和卡口形狀，用于安裝時(shí)支撐和固定整個(gè)殼體。下部分為封閉圓柱體，其凸出 面作為聲波輻射面。殼體內(nèi)部為兩個(gè)不同直徑的腔室，其中

2、下腔室稱為壓電腔，用于安裝壓電片和填充吸 聲材料，而上腔室用于安裝接線板和擋圈，稱為接線腔。這兩個(gè)腔室連通在一起并保持同軸同心。在制造 換能器外殼時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：? 材料選?。翰捎脽o鉛秘磷黃銅捧材車制加工，如C3604、C3771或HPB59-1等。以上標(biāo)號材料的聲速大約為 42704400米/秒。? 加工精度：下腔室內(nèi)外表面的光潔度應(yīng)滿足6以上要求，厚度1mmm,公差M.05mm? 內(nèi)腔室端部應(yīng)無毛刺，且平整光滑。圖3-1換能器外殼尺寸3.2 壓電片壓電式超聲波換能器是利用壓電片的壓電效應(yīng)原理來工作的。當(dāng)超聲波發(fā)射振子（換能器）通以電脈沖信號時(shí)，由于振子的機(jī)械振動會產(chǎn)生超聲波信號，因此能在

3、固體和流體中傳播，超聲波頻率取決于振子的固有諧振頻率。超聲波換能器的性能好壞取決于壓電晶片的技術(shù)性能和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表3-1給出超聲波流量換能器的基本參數(shù)要求。表3-1壓電片的基本參數(shù)參數(shù)描述壓電類型錯(cuò)鈦酸鉛(PbTi03-PbZr03),尺寸：610X 1mm諧振頻率（Fs）2MHz 8%諧振阻抗（Fr）1 Q機(jī)電耦和系數(shù)（Kp）刃.65靜電容（Co）1350pF+15%耦合因子（Kt）0.44壓電電荷常數(shù)（d33）520 X 10 -12 C / N居里溫度先60 c導(dǎo)電膠材料特性DB5015耐高溫銀粉導(dǎo)電膠吸聲材料環(huán)氧樹脂與鴇粉按比例1:4混合殼體材料62H黃銅壓電片材料的物理性質(zhì)，尺

4、寸與形狀都與傳感器特性密切相關(guān)。本設(shè)計(jì)選擇ANN-P5F-1001壓電片,其主要技術(shù)參數(shù):? 壓電材料：錯(cuò)鈦酸鉛（PbTi03-PbZr03 ）? 厚度頻率:2.0MHz 5 %?靜電容：1350pf12.5 %? 耦合因子（Kt） : 0.44? 耦合系數(shù)（Kp） : 0.64? 壓電電荷常數(shù)（d33的）：520 X -02 C / N? 最高工作溫度：260 C3.3 高溫導(dǎo)電膠高溫導(dǎo)電膠具有以下幾個(gè)作用：? 用于兩種不同界面的聲耦合劑（壓電片與銅材料）；? 通過粘貼方式固定壓電片；? 通過導(dǎo)電膠粘合實(shí)現(xiàn)壓電片與銅外殼的電連接，并將外殼作為大面積接地極，有效提高電磁兼容 性能。高溫導(dǎo)電膠選

5、用 DB5015,其主要特性：? 由環(huán)氧樹脂、銀粉和固化劑配制而成的無溶劑型導(dǎo)電膠，導(dǎo)電性能十分優(yōu)良? 適用于金屬與金屬、金屬與非金屬之間有導(dǎo)電要求的粘接，特別適用于錫焊不方便的場合。例如 銅、鐵、鋁、金、銀等多種金屬與壓電晶片、導(dǎo)電陶瓷等元件的連接? 體積電阻率為 10-310-4Q/cm? 工作溫度范圍：-40120 c? 包裝規(guī)格：DB5015為100g/套，雙組份，無機(jī)硅鋁酸鹽材料，導(dǎo)電材料為銀粉，可耐高溫達(dá)1200 C,也可選用DB5016高強(qiáng)度銀粉導(dǎo)電膠：包裝規(guī)格：100g/套，雙組份? 固化時(shí)間：常溫12小時(shí)，80c時(shí)2小時(shí)（參見說明書）。3.4 吸聲材料在壓電振子的背面填充吸聲

6、材料，用于吸收和抑制壓電振子的反向振動波，以獲得純凈的單脈沖發(fā)射波形。吸收材料是采用雙組份的S2116高彈性電子灌封膠，灌封時(shí)具有良好的流動性，固化后具有良好的吸聲性能，其固化性能：? 體積電阻系數(shù)，Q/cm :冶014? 介電常數(shù)：2.73.3? 擊穿電壓 KV/mm *5? 硬度：A16? 拉伸弓II度Mpa： 0.4伸長率：150%? 吸收系數(shù)： 用.6 （頻率2MHz3.5 導(dǎo)電柱導(dǎo)電柱用于壓電片與接線板之間的過渡連接，其中壓電片一端采用導(dǎo)電膠粘接或焊接，而接線板一端采用壓接。采用粘接時(shí)使用DB5015,采用焊接時(shí)應(yīng)使用低溫焊接材料，導(dǎo)電柱的外形尺寸如圖3-2所示。在粘接或焊接導(dǎo)電柱時(shí)

7、，應(yīng)將壓電片固定在夾具上，并保證導(dǎo)電柱與壓電片保持垂直和同心，中心偏差M.lmm。圖3-2導(dǎo)電柱尺寸3.6 接線板接線板用于壓電片與電纜之間的緩沖連接裝置，以保護(hù)壓電片不受電纜焊接應(yīng)力的影響，這一點(diǎn)非常重要。接線板采用厚度 1mm的雙面覆銅板制成，通過繪圖布線進(jìn)行加工。要求中心孔與導(dǎo)電柱配合壓接, 并要求接線板采用孔化、鍍金處理，如圖 3-3所示。頂層底層圖3-3接線板布線圖3.7 擋圈擋圈用于卡固接線板。擋圈采用標(biāo)準(zhǔn)件，其外徑應(yīng)與殼體上腔室內(nèi)壁螺紋動配合，可旋進(jìn)安裝。安裝需采用專用卡鉗?？子脫跞σ?guī)格參見附表，加深色為推薦規(guī)格。3.8 引出電纜在以上部件組裝并測試合格之后，在焊接引出電纜并采用

8、電子膠灌封，已達(dá)到IP68防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。電纜采用2X0.2mm2的多股耐高溫柔性電纜，電纜外徑約33.5 mm,彎曲半徑大于 6mm。4 .裝配前工作4.1 裝配要求1 .在裝配之前必須對各部件進(jìn)行檢測，凡是不合格的部件禁止上線。2 .由于各部件體積較小，手工操作不便，所以需要制作一些工裝夾具，以保證順利裝配。3 .準(zhǔn)備必要的測試儀器，以檢驗(yàn)各部件和整個(gè)換能器的產(chǎn)品性能。4 .裝配人員在操作時(shí)需戴保護(hù)手套，防止汗水沾污元件。5 .裝配壓電片要格外小心，禁止用尖狀硬物夾持元件，以防止元件表面鍍銀層被劃傷或破損。4.2 元件外觀檢查在裝配之前應(yīng)對各元件進(jìn)行外觀檢查，外觀應(yīng)符合表4-1要求。表4-1元件

9、外觀要求元件合格描述壓電片? 壓電片直徑和厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求? 壓電片兩面鍍銀層應(yīng)平整、均勻、無明顯傷痕外殼? 尺寸公差應(yīng)符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求? 壓電腔內(nèi)、外表面平整，光潔度應(yīng)符合圖紙要求。? 殼體內(nèi)外端面無毛刺。? 殼體內(nèi)外表面無油漬、污垢和雜質(zhì)。導(dǎo)電柱? 尺寸公差符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求? 端面平整、無毛刺? 柱體無油漬、污垢和雜質(zhì)。接線板? 尺寸公差符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求? 鍍金層平整、均勻、無明顯傷痕? 無短路、斷路現(xiàn)象擋圈? 擋圈尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求? 擋圈應(yīng)平整，無扭曲現(xiàn)象電纜?規(guī)格及型號符合要求4.3 基本性能測試通過對壓電片基本性能測試，可以檢查壓電片的質(zhì)量是否符合使用要求。4.3.1 測試絕緣電

10、阻使用萬用表電阻RX100K擋，測其絕緣電阻應(yīng)為無窮大。4.3.2 測試靜電容使用萬用表電容 2nF檔，測試壓電片的靜電容，正常值應(yīng)為11001600pF(1.11.6nF),如果電容量極小，說明內(nèi)部材料介電常數(shù)不合格。4.3.3 測試機(jī)電特性將壓電片的一面放置在一個(gè)平整的薄銅片上作為壓電片的一個(gè)接觸電極，銅片厚度大約為1mm。用萬用表的2.0V直流電壓擋測量壓電片的輸出電壓來確認(rèn)機(jī)電特性。具體方法是：將紅表筆接銅片，黑表 筆接壓電片的另一電極面，然后用絕緣捧稍微用力壓一下壓電片，隨后立即松開，這樣在壓電陶瓷片兩端 會產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的電壓信號，開始顯示的數(shù)字為正值，接著回到零，隨后顯示的數(shù)字

11、為負(fù)值，其變化 幅值約為S.10.2V,幅值越大，說明靈敏度越高。若萬用表數(shù)字靜止不動， 說明壓電片內(nèi)部漏電或破損。通過以上檢查基本可以確認(rèn)壓電晶片是否可用，但不能完全保證上線，還需要對其它參數(shù)進(jìn)行測試。4.4 壓電參數(shù)測試主要壓電參數(shù)測試包括：? 測試壓電片的諧振頻率和反諧振頻率fr、fa? 測量諧振阻抗Zm4.4.1 測試原理利用壓電陶瓷的諧振特性作為壓電換能器，因?yàn)閴弘娖且粡椥泽w，并存在固有諧振頻率，當(dāng)外界作用的頻率等于諧振頻率時(shí)，壓電片就會產(chǎn)生機(jī)械諧振，諧振時(shí)振幅越大，產(chǎn)生的機(jī)械能量也就越大。因此,基于壓電片的壓電效應(yīng)，采用輸入電信號的方法，利用逆壓電效應(yīng)使壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動，而利用

12、正壓電 效應(yīng)輸出電信號。4.4.2 測試線路圖4-1給出完整的測試線路。它是由一臺正弦波信號發(fā)生器、一臺高頻交流電壓表、一個(gè)可變電阻器和開關(guān)線路組成。該線路可以測試壓電片的諧振頻率、反諧振頻率、諧振阻抗、品質(zhì)因數(shù)，并通過計(jì)算獲 得機(jī)電耦合系數(shù)。圖4-1壓電晶片測試線路4.4.3 測試諧振頻率將壓電晶片接入測試線路中，將開關(guān)K1置于A位置，開關(guān)K2置于B1或B2位置。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓為1V,并逐步由低到高改變電壓頻率，當(dāng)信號頻率調(diào)至接近2MHz頻率時(shí)，對應(yīng)該頻率的壓電晶片應(yīng)產(chǎn)生諧振，進(jìn)一步微調(diào)頻率，使其諧振阻抗應(yīng)最小，輸出電壓應(yīng)最大，該點(diǎn)即為壓電晶片最小阻抗 時(shí)的頻率。反之，當(dāng)信號頻率繼續(xù)

13、增大到某一頻率時(shí)，晶片阻抗最大，輸出電壓最小，以表示最大阻抗時(shí) 的頻率。測試結(jié)果，把阻抗最小時(shí)的頻率看作是諧振頻率，阻抗最大時(shí)的頻率作為反諧振頻率。設(shè)計(jì)要求：諧振頻率應(yīng)滿足 2MHzt 15%;反諧振頻率：3.414MHz 15%。4.4.4 測試諧振阻抗將開關(guān)K1撥至C位置，也就是用無感電阻計(jì)代替壓電片。開關(guān)K2撥到測試壓電片時(shí)的位置 B1或B2,保持信號發(fā)生器到諧振頻率處，改變電阻計(jì)的阻值，使電壓表指示值與測試壓電片時(shí)相同，當(dāng)撥動開關(guān)K1到A位置時(shí)，電壓指示值仍保持不變，此時(shí)測量電阻計(jì)的阻值即為壓電片的諧振阻抗Zm。不同壓電片在同一諧振頻率下時(shí)諧振阻抗存在偏差，但要求偏差在0%以內(nèi)。5 .

14、裝配5.1 裝配流程整個(gè)裝配工作按圖5-1所示流程圖進(jìn)行。裝配分為10步:第一步：清洗外殼、導(dǎo)電柱和壓電晶片第二步：將導(dǎo)電柱粘接或焊接在壓電片上第三步：粘貼壓電片第四步：填充吸聲劑第五步：安裝接線板及擋圈第六步：測試固化的壓電片第七步：測試合格后焊接引出電纜第八步：灌封電子膠第九步：重復(fù)第六步測試工作第十步：打標(biāo)記，成品入庫5.2 操作5.2.1 清洗部件在組裝之前必須對壓電晶片、 導(dǎo)電柱和外殼進(jìn)行清洗， 去掉 油污、雜質(zhì)和塵埃物。清洗材料是采用KX-106HA 鋁合金磷化劑，本品為無色透明液體， 比重1.15, PH (1=2。具體操作方法是：1 .取適量的KX- 106HA按照1:19比例

15、注入清水，即 1Kg 清洗原液，注入19Kg清水，放入非金屬槽內(nèi)備用。2 .將清洗工件浸泡在溶液中，處理時(shí)間約為10分鐘，取出晾干即可。3 .如清洗效果不佳，可適當(dāng)延長清洗時(shí)間。注意：如不慎濺入眼睛中，請用清水立即沖洗。5.2.2 粘接或焊接導(dǎo)電柱導(dǎo)電柱與壓電片可以粘接或焊接均可。兩者不同的是：粘接需要較長的固化時(shí)間，但優(yōu)點(diǎn)是不會使壓電片受熱而降低性能； 焊接工藝比較簡單， 但要求焊接速度要快，以避免壓電片過熱使電極受損。此外，也可以采用引線焊接。下面以焊接導(dǎo)電柱方式 說明操作過程：1 .將壓電片放置在特制的夾具中固定，其作用是防止焊接時(shí)圖5-1組裝流程壓電片移動。2 .將導(dǎo)電柱放置在另外一個(gè)

16、夾具中固定，該夾具應(yīng)與壓電片夾具相互配合，構(gòu)成上下可組合，拆卸夾具。3 .將上下兩個(gè)夾具重合在一起，使導(dǎo)電柱與壓電片保持同軸并緊密接觸。4 .將烙鐵頭磨成尖狀，并調(diào)節(jié)電烙鐵頭到適當(dāng)焊接溫度。5 .在導(dǎo)電柱與壓電片接觸面的邊緣處均勻分布4個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊接，要求焊點(diǎn)直徑小于1.5mm6 .冷卻后，輕輕松開上夾具，用鐐子捏住導(dǎo)電柱，取下壓電片，準(zhǔn)備下一道工序使用。5.2.3粘貼壓電片將清洗過的外殼裝在殼體夾具上，然后準(zhǔn)備粘貼壓電片，具體步驟是:0.11 .用小楷羊毛筆蘸少許高溫導(dǎo)電膠（混合制備好）均勻涂抹在壓電腔底面，要求涂膠厚度約為0.2mm,涂層面積稍小于壓電片直徑。2 .用合適的工具夾住導(dǎo)電柱

17、一端，將壓電片放入壓電腔的底部并旋轉(zhuǎn)一周，以使導(dǎo)電膠均勻分布，排 除氣泡，然后將工具壓緊暫時(shí)固定。3 .在常溫下，導(dǎo)電膠需固化12小時(shí)，在80c時(shí)為2小時(shí)。4 .導(dǎo)電膠固化后需對接觸電阻進(jìn)行測試。用 m Q表測試外殼與壓電片的直流接觸電阻，合格值應(yīng)小于 10m Qo5.2.4填充吸聲劑導(dǎo)電膠完全固化后，準(zhǔn)備填充吸聲材料。1 .按規(guī)定的比例制備好吸聲劑。2 .將吸聲劑滴入壓電腔內(nèi)，填充厚度約3mm,上面要留有1mm左右空間。3 .在常溫下完全固化時(shí)間需要 24小時(shí)，在80c時(shí)為4小時(shí)。5.2.4安裝接線板在吸聲劑完全固化之后，開始安裝接線板。1 .將接線板放入接線腔中，并使導(dǎo)電柱頂部露出接線板中

18、心孔。2 .用專用鉗夾住擋圈的兩個(gè)鉗孔，向里壓使擋圈收縮到合適位置，然后放入到接線板上，稍微松開擋圈，將擋圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周，直到壓緊接線板為止。3 .用萬用表或 地 表測試接線板上的兩個(gè)接點(diǎn)J1和J2及外殼，檢查接線電阻是否符合表5-1的要求。表5-1接線板的測試測試點(diǎn)值J1 到 J2直流電阻1MQ （未接電感）J1到外殼直流電阻1MQJ2到外殼直流電阻10mQ4 .2.4測試固化后壓電片在安裝好接線板后，換能器的組裝工作基本完成，余下的電纜接線工作將在換能器測試合格后進(jìn)行，并按第六步進(jìn)行測試。5 .2.5焊接引出電纜取一段250m長電纜，兩端剝頭、塘錫，然后將一段焊接在接線板的兩個(gè)焊點(diǎn)上，其

19、中焊點(diǎn)J1為信號端，J2為接地端，J3為屏蔽端。電纜紅色芯線接J1,黑色芯線接J2,屏蔽套接J3。電纜接線如圖5-2所示。接線板6 .2.6封膠最后一步工作為封膠，以保證整個(gè)換能器達(dá)到IP67防護(hù)等級。附件孔用彈性擋圈軸用彈性擋圈孔徑（mm）擋圈主要尺寸（mm）價(jià)格（元）軸徑（mm）擋圈主要尺寸（mm）價(jià)格（元）外徑內(nèi)徑厚度鉗孔內(nèi)徑外徑厚度鉗孔88.770.6132.73.90.4199.880.6143.750.411010.88.30.81.554.76.40.611111.8*20.81.565.67.60.61.2121310.4).81.576.58.480.61.21314.11.

20、5 081.7II87.49.380.81.21415.11.9 11.798.410.560.81.21516.2311.7109.311.511.51617.34.1 11.71110.212.511.5r1718.315.1 11.7121113.611.51819.516.3 11.71311.94.711.71920.516.7 1|_121412.95.711.72021.57.7 121513.86.811.72122.58.7 121614.78.211.72223.59.7 121715.79.411.72425.922.1 1221816.520.211.72526.922.7 1221917.521.2122627.923.7 1222018.522.5122830.125.7 1222119.523.5123032.1 ：7.3 1222220.524.5123133.4 18.6 122.52422.227.21.223234.4 19.6 122.52523.228.21.223436.5 :1.1 152.52624.229.21.223537.8 :2.4 152.52825.931.31.223638.8 :3.4 152.52926.932.51.223739.8 :