1、 1 AN104-2011 超声波 流量 换能器 设计 1. 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 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。 3. 元件说明 3.1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
2、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 的压电片 吸声材料 导电柱 高温导电胶 接线板 挡圈 图 2-1 超声波 流量 换能器组成 信号电缆 辐射面 外螺纹 金属外壳 2 声速大约为 4270 4400 米 /秒。 加工精度： 下腔室 内外表面
3、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 3-1 压电片 的基本参数 参数 描述 压电类型 锆钛酸铅（ PbTi03-PbZr03），尺寸： 10 1mm 谐振频率（ FS） 2
4、MHz8% 谐振阻抗（ FR） 1 机电耦和系数（ KP） 0.65 静电容（ C0） 1350pF15% 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： 压电材料： 锆钛酸铅（ PbTi03-PbZr03） 图 3-1 换能器外壳尺寸 3 厚度频率： 2.0MHz 5 静电 容： 135
5、0pf 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 十分优越 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
6、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 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
7、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 拉伸强度 Mpa： 0.4 伸长率 :150% 4 吸收系数： 0.6（频率 2MHz） 3.5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
8、， 中心 偏差0.1mm。 图 3-2 导电柱尺寸 3.6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。 图 3-3 接线板布线图 J1 J2 5 3.7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 在 以上部件
9、 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 20.2mm2 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 4.1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
10、 硬物夹持元件 ，以防止元件表面镀银层 被划伤 或破损 。 4.2 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 4-1 元件外观 要求 元件 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。 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
11、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 6 4.3 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 使用 万用表电阻 R100K 挡，测其绝缘电阻应为无穷大 。 4.3.2 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 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
12、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
13、 对 其它参数 进行测试。 4.4 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 4.4.1 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 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
14、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。 7 4.4.3 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
15、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 2MHz15%；反谐振频率： 3.414MHz15%。 4.4.4 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 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 5.1 装配流程 整个
16、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 信 号 发 生 器 交流 电压表 RI=600 RT=600 Rt=0 1K 5.1 1K A C B1 图 4-1 压电晶片测试线路 K1 K2 B2 8 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 5.2 操作 5.2.1 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
17、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 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
18、能 ；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
19、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 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 ： 各道工序准备合格的部件 清洗部件 焊接导电柱 安装压电片 填充吸声剂 安装接线板 测试 固化压电片 测试合格，焊接 引出电缆 灌封电子胶 重复测试 图 5-1 组装流程 产品入库 9 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 0.10.2mm，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
20、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 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 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
21、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 5-1 接线板的测试 测试点 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 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 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。 10 5.2.6 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 图 5-2 电缆接线图
