AN005_超聲波換能器設(shè)計(jì)解析

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(cè)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。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)構(gòu)尺寸如圖3-1所示。整個(gè)外形為凸臺(tái)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，其中下腔室稱為

2、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)：材料選取：采用無鉛秘磷黃銅捧材車制加工，如C3604、C3771或HPB59-1等。以上標(biāo)號(hào)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±0.05mm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(hào)時(shí)，由于振子的機(jī)械振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，因此能在固體和流體

3、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)描述壓電類型鋯鈦酸鉛（PbTi03-PbZr03）,尺寸：也 10X1mm諧振頻率（F）2MHz±8%S 諧振阻抗（F.）1QR機(jī)電耦和系數(shù)（KJ>0.65P靜電容（C）1350pF±15%0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>260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

4、銅壓電片材料的物理性質(zhì)，尺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：鋯鈦酸鉛（PbTi03-PbZr03） 厚度頻率：2.0MHz ± 5% 靜電容：1350pf ± 12.5% 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 10-12 C / N 最高工作溫度：2603.3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

5、磁兼容 性能。高溫導(dǎo)電膠選用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(chǎng)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 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,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)，80時(shí)2小時(shí)（參見說明書）。1.4 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(dòng)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(dòng)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： >1014 介電常數(shù)：2.73.3 擊穿電壓KV/mm： >15 硬度：A16 拉伸強(qiáng)度Mpa： 0.4 伸長率:150%吸收系數(shù)：0.6 （頻率2MHz）1.5 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

7、導(dǎo)電柱時(shí)，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 ±0.1mm。圖3-2導(dǎo)電柱尺寸1.6 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。圖3-3接線板布線圖1.7 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(dòng)配合，可旋進(jìn)安裝。安裝 需采用專用卡鉗。孔用擋圈規(guī)格參見附表，加深色為推薦規(guī)格。1.8 引出電纜在以上部件組裝并測(cè)試合格之后，在焊接

8、引出電纜并采用電子膠灌封，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33.5mm,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(duì)各部件進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)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(duì)各元件進(jìn)行外觀檢查，外觀應(yīng)符合表4-1要求。

9、表4-1元件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(hào)符合要求4.3 基本性能測(cè)試通過對(duì)壓電片基本性能測(cè)試，可以檢查壓電片的質(zhì)量是否符合使用要求。4.3.1 測(cè)試絕緣電阻使用萬用表電阻R

10、X100K擋，測(cè)其絕緣電阻應(yīng)為無窮大。4.3.2 測(cè)試靜電容使用萬用表電容2nF檔，測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的電壓信號(hào)，開始顯示的數(shù)字為正值，接著回到零，隨后顯示的數(shù)字為負(fù)值，其變化

11、幅值約為±0.10.2V,幅值越大，說明靈敏度越高。若萬用表數(shù)字靜止不動(dòng)，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(duì)其它參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。4.4 壓電參數(shù)測(cè)試主要壓電參數(shù)測(cè)試包括：4.4.1 片的諧振頻率和反諧振頻率fr、fa4.4.2 阻抗Zm4.4.3 測(cè)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(huì)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(hào)的方法，利用逆壓電效應(yīng)使壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，而利用正

12、壓電 效應(yīng)輸出電信號(hào)。4.4.4 測(cè)試線路圖4-1給出完整的測(cè)試線路。它是由一臺(tái)正弦波信號(hào)發(fā)生器、一臺(tái)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(cè)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(cè)試線路RT=600CARt=01KK25.1Q1KQ信 發(fā) 生 器交 流 電 壓 表RI=600B1 土 £B24.4.5 測(cè)試諧振頻率將壓電晶片接入測(cè)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(hào)發(fā)生器 輸出電壓為IV，并逐步由低到高改變電壓頻率，當(dāng)信號(hào)頻率調(diào)至接近2MHz頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)該頻率的壓電 晶片

13、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(hào)頻率繼續(xù)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(cè)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2MHz±15%；反諧振頻率：3.414MHz±15%。4.4.6 測(cè)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(cè)試壓電片時(shí)的位置B1或B2, 保持信號(hào)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(cè)試壓電片時(shí)相同，當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)H 到A位置時(shí)，電壓

14、指示值仍保持不變，此時(shí)測(cè)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±10%以內(nèi)。5 .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(cè)試固化的壓電片第七步：測(cè)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(cè)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(duì)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

15、KX-106HA鋁合金磷化 劑，本品為無色透明液體，比重1.15, PH值=2。具體操作方法是：1 .取適量的KX106HA，按照1:19比例注入清水，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(qǐng)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(huì)使壓電片受熱而降低性能； 焊接工藝比較簡(jiǎn)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

16、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) 壓電片移動(dòng)。圖5-1組裝流程2 .將導(dǎo)電柱放置在另外一個(gè)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1.5mm。6 .冷卻后，輕輕松開上夾具，用鑷子捏住導(dǎo)電柱，取下壓電片，準(zhǔn)備下一道工序使用。7 .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：1 .用

17、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0.1 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80時(shí)為2小時(shí)。4 .導(dǎo)電膠固化后需對(duì)接觸電阻進(jìn)行測(cè)試。用mQ表測(cè)試外殼與壓電片的直流接觸電阻，合格值應(yīng)小 于 10mQ。5 .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

18、需要24小時(shí)，在80時(shí)為4小時(shí)。4 .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mQ表測(cè)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(cè)試測(cè)試點(diǎn)值J1 到 J2直流電阻N1MQ （未接電感）J1到外殼直流電阻1MQJ2到外殼直流電阻10mQ4 .2.4測(cè)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

19、作將在換能器測(cè)試合格后進(jìn)行， 并按第六步進(jìn)行測(cè)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，其中焊點(diǎn)11為信號(hào) 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。圖5-2電纜接線圖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(jí)。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88.770.6132.73.90.4199.880.6143.750.411010.8

20、8.30.81.554.76.40.611111.89.20.81.565.67.60.61.2121310.40.81.576.58.480.61.21314.111.50.81.787.49.380.81.21415.111.911.798.410.560.81.21516.21311.7109.311.511.51617.314.111.71110.212.511.51718.315.111.7121113.611.51819.516.311.71311.914.711.71920.516.7121412.915.711.72021.517.7121513.816.811.72122.5

21、18.7121614.718.211.72223.519.7121715.719.411.72425.91.221816.520.211.72526.91.221917.521.2122627.91.222018.522.5122830.1,71.222119.523.5123032.127.31.222220.524.5123133.428.61.22.52422.227.21.223234.429.61.22.52523.228.21.223436.531.11.52.52624.229.21.223537.832.41.52.52825.931.31.223638.833.41.52.5