AN005-超声波换能器设计

1 AN104 2011 超声波流量换能器设计超声波流量换能器设计 1 引言引言 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 压电片 吸声材料导电柱 高温导电胶 接线板 挡圈 图图 2 1 超声波流量换能器组成超声波流量换能器组成 信号电缆 辐射面辐射面 外螺纹 金属外壳 3 元件说明元件说明 3 1 外壳外壳 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 2 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 3 2 压电片压电片 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 表表 3 1 压电片的基本参数压电片的基本参数 参数参数描述描述 压电类型锆钛酸铅 PbTi03 PbZr03 尺寸 10 1mm 谐振频率 FS 2MHz 8 谐振阻抗 FR 1 机电耦和系数 KP 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 图图 3 1 换能器外壳尺寸换能器外壳尺寸 3 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 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 4 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 cm 1014 介电常数 2 7 3 3 击穿电压 KV mm 15 硬度 A16 4 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 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 图图 3 2 导电柱尺寸导电柱尺寸 3 6 接线板接线板 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 5 图图 3 33 3 接线板布线图接线板布线图 3 7 挡圈挡圈 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 装配前工作装配前工作 4 1 装配要求装配要求 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 24 2 元件外观检查元件外观检查 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 表表 4 14 1 元件外观要求元件外观要求 元件元件合格描述合格描述 压电片 压电片直径和厚度应符合设计要求 压电片两面镀银层应平整 均匀 无明显伤痕 外壳 尺寸公差应符合图纸设计要求 压电腔内 外表面平整 光洁度应符合图纸要求 J1 J2 6 壳体内外端面无毛刺 壳体内外表面无油渍 污垢和杂质 导电柱 尺寸公差符合图纸设计要求 端面平整 无毛刺 柱体无油渍 污垢和杂质 接线板 尺寸公差符合图纸设计要求 镀金层平整 均匀 无明显伤痕 无短路 断路现象 挡圈 挡圈尺寸应符合设计要求 挡圈应平整 无扭曲现象 电缆 规格及型号符合要求 4 34 3 基本性能测试基本性能测试 通过对压电片基本性能测试 可以检查压电片的质量是否符合使用要求 4 3 1 测试绝缘电阻测试绝缘电阻 使用万用表电阻 R 100K 挡 测其绝缘电阻应为无穷大 4 3 2 测试静电容测试静电容 使用万用表电容 2nF 档 测试压电片的静电容 正常值应为 1100 1600pF 1 1 1 6nF 如果电容 量极小 说明内部材料介电常数不合格 4 3 3 测试机电特性测试机电特性 将压电片的一面放置在一个平整的薄铜片上作为压电片的一个接触电极 铜片厚度大约为 1mm 用 万用表的 2 0V 直流电压挡测量压电片的输出电压来确认机电特性 具体方法是 将红表笔接铜片 黑表 笔接压电片的另一电极面 然后用绝缘捧稍微用力压一下压电片 随后立即松开 这样在压电陶瓷片两 端会产生两个极性相反的电压信号 开始显示的数字为正值 接着回到零 随后显示的数字为负值 其 变化幅值约为 0 1 0 2V 幅值越大 说明灵敏度越高 若万用表数字静止不动 说明压电片内部漏电 或破损 通过以上检查基本可以确认压电晶片是否可用 但不能完全保证上线 还需要对其它参数进行测试 4 44 4 压电参数测试压电参数测试 主要压电参数测试包括 测试压电片的谐振频率和反谐振频率 fr fa 测量谐振阻抗 Zm 7 4 4 1 测试原理测试原理 利用压电陶瓷的谐振特性作为压电换能器 因为压电片是一弹性体 并存在固有谐振频率 当外界 作用的频率等于谐振频率时 压电片就会产生机械谐振 谐振时振幅越大 产生的机械能量也就越大 因此 基于压电片的压电效应 采用输入电信号的方法 利用逆压电效应使压电片产生机械振动 而利 用正压电效应输出电信号 4 4 2 测试线路测试线路 图 4 1 给出完整的测试线路 它是由一台正弦波信号发生器 一台高频交流电压表 一个可变电阻器 和开关线路组成 该线路可以测试压电片的谐振频率 反谐振频率 谐振阻抗 品质因数 并通过计算 获得机电耦合系数 信信 号号 发发 生生 器器 交交 流流 电电 压压 表表 RI 600 RT 600 Rt 0 1K 5 1 1K A C B1 图图 4 1 压电晶片测试线路压电晶片测试线路 K1 K2 B2 4 4 3 测试谐振频率测试谐振频率 将压电晶片接入测试线路中 将开关 K1 置于 A 位置 开关 K2 置于 B1 或 B2 位置 调节信号发生 器输出电压为 1V 并逐步由低到高改变电压频率 当信号频率调至接近 2MHz 频率时 对应该频率的压 电晶片应产生谐振 进一步微调频率 使其谐振阻抗应最小 输出电压应最大 该点即为压电晶片最小 阻抗时的频率 反之 当信号频率继续增大到某一频率时 晶片阻抗最大 输出电压最小 以表示最大 阻抗时的频率 测试结果 把阻抗最小时的频率看作是谐振频率 阻抗最大时的频率作为反谐振频率 设计要求 谐振频率应满足 2MHz 15 反谐振频率 3 414MHz 15 4 4 4 测试谐振阻抗测试谐振阻抗 将开关 K1 拨至 C 位置 也就是用无感电阻计代替压电片 开关 K2 拨到测试压电片时的位置 B1 或 B2 保持信号发生器到谐振频率处 改变电阻计的阻值 使电压表指示值与测试压电片时相同 当拨动 开关 K1 8 到 A 位置时 电压指示值仍保持不变 此时测量电阻计的阻值即为压电片的谐振阻抗 Zm 不同压电片在 同一谐振频率下时谐振阻抗存在偏差 但要求偏差在 10 以内 5 装配装配 5 15 1 装配流程装配流程 整个装配工作按图 5 1 所示流程图进行 装配分为 10 步 第一步 清洗外壳 导电柱和压电晶片 第二步 将导电柱粘接或焊接在压电片上 第三步 粘贴压电片 第四步 填充吸声剂 第五步 安装接线板及挡圈 第六步 测试固化的压电片 第七步 测试合格后焊接引出电缆 第八步 灌封电子胶 第九步 重复第六步测试工作 第十步 打标记 成品入库 5 25 2 操作操作 5 2 1 清洗部件清洗部件 在组装之前必须对压电晶片 导电柱和外壳进行清洗 去 掉油污 杂质和尘埃物 清洗材料是采用 KX 106HA 铝合金磷 化剂 本品为无色透明液体 比重 1 15 PH 值 2 具体操作方 法是 1 取适量的 KX 106HA 按照 1 19 比例注入清水 即 1Kg 清洗原液 注入 19Kg 清水 放入非金属槽内备用 2 将清洗工件浸泡在溶液中 处理时间约为 10 分钟 取出 晾干即可 3 如清洗效果不佳 可适当延长清洗时间 注意 如不慎溅入眼睛中 请用清水立即冲洗 5 2 2 粘接或焊接导电柱粘接或焊接导电柱 导电柱与压电片可以粘接或焊接均可 两者不同的是 粘接 需要较长的固化时间 但优点是不会使压电片受热而降低性能 各道工序准备合格的部件各道工序准备合格的部件 清洗部件清洗部件 焊接导电柱焊接导电柱 安装压电片安装压电片 填充吸声剂填充吸声剂 安装接线板安装接线板 测试固化压电片测试固化压电片 测试合格 焊接测试合格 焊接 引出电缆引出电缆 灌封电子胶灌封电子胶 重复测试重复测试 图图 5 1 组装流程组装流程 产品入库产品入库 9 焊接工艺比较简单 但要求焊接速度要快 以避免压电片过热使电极受损 此外 也可以采用引线焊接 下面以焊接导电柱方式说明操作过程 1 将压电片放置在特制的夹具中固定 其作用是防止焊接时压电片移动 2 将导电柱放置在另外一个夹具中固定 该夹具应与压电片夹具相互配合 构成上下可组合 拆卸 夹具 3 将上下两个夹具重合在一起 使导电柱与压电片保持同轴并紧密接触 4 将烙铁头磨成尖状 并调节电烙铁头到适当焊接温度 5 在导电柱与压电片接触面的边缘处均匀分布 4 个焊点进行点焊接 要求焊点直径小于 1 5mm 6 冷却后 轻轻松开上夹具 用镊子捏住导电柱 取下压电片 准备下一道工序使用 5 2 3 粘贴压电片粘贴压电片 将清洗过的外壳装在壳体夹具上 然后准备粘贴压电片 具体步骤是 1 用小楷羊毛笔蘸少许高温导电胶 混合制备好 均匀涂抹在压电腔底面 要求涂胶厚度约为 0 1 0 2mm 涂层面积稍小于压电片直径 2 用合适的工具夹住导电柱一端 将压电片放入压电腔的底部并旋转一周 以使导电胶均匀分布 排除气泡 然后将工具压紧暂时固定 3 在常温下 导电胶需固化 12 小时 在 80 时为 2 小时 4 导电胶固化后需对接触电阻进行测试 用 m 表测试外壳与压电片的直流接触电阻 合格值应小 于 10m 5 2 4 填充吸声剂填充吸声剂 导电胶完全固化后 准备填充吸声材料 1 按规定的比例制备好吸声剂 2 将吸声剂滴入压电腔内 填充厚度约 3mm 上面要留有 1mm 左右空间 3 在常温下完全固化时间需要 24 小时 在 80 时为 4 小时 5 2 4 安装接线板安装接线板 在吸声剂完全固化之后 开始安装接线板 1 将接线板放入接线腔中 并使导电柱顶部露出接线板中心孔 2 用专用钳夹住挡圈的两个钳孔 向里压使挡圈收缩到合适位置 然后放入到接线板上 稍微松开 挡圈 将挡圈顺时针旋转一周 直到压紧接线板为止 3 用万用表或m 表测试接线板上的两个接点 J1 和 J2 及外壳 检查接线电阻是否符合表 5 1 的要求 表表 5 1 接线板的测试接线板的测试 10 测试点测试点值值 J1 到 J2 直流电阻 1M 未接电感 J1 到外壳直流电阻 1M J2 到外壳直流电阻 10m 5 2 4 测试固化后压电片测试固化后压电片 在安装好接线板后 换能器的组装工作基本完成 余下的电缆接线工作将在换能器测试合格后进行 并按第六步进行测试 5 2 5 焊接引出电缆焊接引出电缆 取一段 250m 长电缆 两端剥头 塘锡 然后将一段焊接在接线板的两个焊点上 其中焊点 J1 为信 号端 J2 为接地端 J3 为屏蔽端 电缆红色芯线接 J1 黑色芯线接 J2 屏蔽套接 J3 电缆接线如图 5 2 所示 5 2 6 封胶封胶 最后一步工作为封胶 以保证整个换能器达到 IP67 防护等级 J1 J2 J3 红 黑 屏蔽 接线板接线板 图图 5 2 电缆接线图电缆接线图 11 附件附件 孔用弹性挡圈孔用弹性挡圈轴用弹性挡圈轴用弹性挡圈 挡圈主要尺寸 mm 挡圈主要尺寸 mm 孔径 mm 外径 内径 厚度 钳孔 价格 元 轴径 mm 内径 外径厚度 钳孔 价格 元 88 770 61 32 73 90 41 99 880 61 43 750 41 1010 8 8 30 81 5 54 76 40 61 1111 8 9 20 81 5 65 67 60 61 2 121310 4 0 81 5 76 58 480 61 2 1314 1 11 5 0 81 7 87 49 380 81 2 1415 1 11 9 11 7 98 410 56 0 81 2 1516 2 1311 7 109 311 511 5 12 1617 3 14 1 11 7 1110 2 12 511 5 1718 3 15 1 11 7 121113 611 5 1819 5 16 3 11 7 1311 9 14 711 7 1920 5 16 7 12 1412 9 15 711 7 2021 5 17 7 12 1513 8 16 811 7 2122 5 18 7 12 1614 7 18 211 7 2223 5 19 7 12 1715 7 19 411 7 2425 9 22 1 1 22 1816 5 20 211 7 2526 9 22 7 1 22 1917 5 21 212 2627 9 23 7 1 22 2018 5 22 512 2830 1 25 7 1 22 2119 5 23 512 3032 1 27 3 1 22 2220 5 24 512 3133 4 28 6 1 22 5 2422 2 27 21 22 3234 4 29 6 1 22 5 2523 2 28 21 22 3436 5 31 1 1 52 5 2624 2 29 21 22 3537 8 32 4 1 52 5 2825 9 31 31 22 3638