1引言
本文件旨在說明超聲波流量換能器設(shè)計，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。
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。整個外形為凸臺圓柱體，它分為上下兩個部分，上部分為開放的圓柱體，其外形制成外螺紋和卡口形狀，用于安裝時支撐和固定整個殼體。下部分為封閉圓柱體，其凸出面作為聲波輻射面。殼體內(nèi)部為兩個不同直徑的腔室，其中下腔室稱為壓電腔，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。這兩個腔室連通在一起并保持同軸同心。在制造換能器外殼時應(yīng)注意以下幾點：
•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。以上標號材料的壓電片吸聲材料導(dǎo)電柱高溫導(dǎo)電膠接線板擋圈圖2-1 超聲波流量換能器組成信號電纜輻射面外螺紋金屬外殼
2 聲速大約為4270～4400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。
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。當超聲波發(fā)射振子（換能器）通以電脈沖信號時，由于振子的機械振動會產(chǎn)生超聲波信號，因此能在固體和流體中傳播，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。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）圖3-1 換能器外殼尺寸3
•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 × 10-12 C / N
•最高工作溫度：260℃
3.3高溫導(dǎo)電膠
高溫導(dǎo)電膠具有以下幾個作用：
•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)越良
•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10-3～10-4Ω/cm
•工作溫度范圍：-40～120℃
•包裝規(guī)格：DB5015為100g/套，雙組份，無機硅鋁酸鹽材料，導(dǎo)電材料為銀粉，可耐高溫達1200℃，也可選用DB5016高強度銀粉導(dǎo)電膠：包裝規(guī)格：100g/套，雙組份
•固化時間：常溫12小時，80℃時2小時（參見說明書）。
3.4吸聲材料
在壓電振子的背面填充吸聲材料，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)，Ω/cm：≥1014
•介電常數(shù)：2.7～3.3
•擊穿電壓KV/mm：≥15
•硬度：A16
•拉伸強度Mpa：0.4
•伸長率:150%4
•吸收系數(shù)：≥0.6（頻率2MHz）
3.5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。采用粘接時使用DB5015，采用焊接時應(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，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
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，以保護壓電片不受電纜焊接應(yīng)力的影響，這一點非常重要。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。
3.7擋圈
擋圈用于卡固接線板。擋圈采用標準件，其外徑應(yīng)與殼體上腔室內(nèi)壁螺紋動配合，可旋進安裝。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。
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電子膠灌封，已達到IP68防護標準。電纜采用2×0.2mm2的多股耐高溫柔性電纜，電纜外徑約3～3.5mm，彎曲半徑大于6mm。
4.裝配前工作
4.1裝配要求
1. 在裝配之前必須對各部件進行檢測，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. 準備必要的測試儀器，以檢驗各部件和整個換能器的產(chǎn)品性能。
4. 裝配人員在操作時需戴保護手套，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)對各元件進行外觀檢查，外觀應(yīng)符合表4-1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 測試絕緣電阻
使用萬用表電阻R×100K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1100～1600pF(1.1～1.6nF)，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測試機電特性
將壓電片的一面放置在一個平整的薄銅片上作為壓電片的一個接觸電極，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機電特性。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)字為負值，其變化幅值約為±0.1～0.2V，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Zm
4.4.1測試原理
利用壓電陶瓷的諧振特性作為壓電換能器，因為壓電片是一彈性體，并存在固有諧振頻率，當外界作用的頻率等于諧振頻率時，壓電片就會產(chǎn)生機械諧振，諧振時振幅越大，產(chǎn)生的機械能量也就越大。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)生機械振動，而利用正壓電效應(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)，并通過計算獲得機電耦合系數(shù)。
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，當信號頻率調(diào)至接近2MHz頻率時，對應(yīng)該頻率的壓電晶片應(yīng)產(chǎn)生諧振，進一步微調(diào)頻率，使其諧振阻抗應(yīng)最小，輸出電壓應(yīng)最大，該點即為壓電晶片最小阻抗時的頻率。反之，當信號頻率繼續(xù)增大到某一頻率時，晶片阻抗最大，輸出電壓最小，以表示最大阻抗時的頻率。測試結(jié)果，把阻抗最小時的頻率看作是諧振頻率，阻抗最大時的頻率作為反諧振頻率。設(shè)計要求：諧振頻率應(yīng)滿足2MHz±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代替壓電片。開關(guān)K2撥到測試壓電片時的位置B1或B2，保持信號發(fā)生器到諧振頻率處，改變電阻計的阻值，使電壓表指示值與測試壓電片時相同，當撥動開關(guān)K1 到A位置時，電壓指示值仍保持不變，此時測量電阻計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
整個裝配工作按圖5-1所示流程圖進行。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：測試固化的壓電片信號發(fā)生器交流電壓表
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值=2。
具體操作方法是：
1.取適量的KX—106HA，按照1:19比例注入清水，即1Kg清洗原液，注入19Kg清水，放入非金屬槽內(nèi)備用。
2.將清洗工件浸泡在溶液中，處理時間約為10分鐘，取出晾干即可。
3.如清洗效果不佳，可適當延長清洗時間。
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間，但優(yōu)點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壓電片移動。
2.將導(dǎo)電柱放置在另外一個夾具中固定，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個焊點進行點焊接，要求焊點直徑小于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，然后準備粘貼壓電片，具體步驟是：
1.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0.1～0.2mm，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固定。
3.在常溫下，導(dǎo)電膠需固化12小時，在80℃時為2小時。
4. 導(dǎo)電膠固化后需對接觸電阻進行測試。用mΩ表測試外殼與壓電片的直流接觸電阻，合格值應(yīng)小于10mΩ。
5.2.4 填充吸聲劑
導(dǎo)電膠完全固化后，準備填充吸聲材料。
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間需要24小時，在80℃時為4小時。
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心孔。
2.用專用鉗夾住擋圈的兩個鉗孔，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，將擋圈順時針旋轉(zhuǎn)一周，直到壓緊接線板為止。
3.用萬用表或mΩ表測試接線板上的兩個接點J1和J2及外殼，檢查接線電阻是否符合表5-1的要求。
5.2.4 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行，并按第六步進行測試。
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焊點上，其中焊點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。
5.2.6 封膠最后一步工作為封膠，以保證整個換能器達到IP67防護等級。
1. 壓電晶片電極引線焊接壓電晶片安裝在殼體中，通常將晶片的底面接地，上面接發(fā)射信號。電極引線通常使用直徑0.2mm細銅線，采用內(nèi)熱式電烙鐵焊接。焊接時應(yīng)將烙鐵頭磨成尖錐形狀，以減少晶片受熱面積和小的焊點。在焊接前，應(yīng)使用無水乙醇將焊接部位清洗干凈，使用松香作為焊劑（嚴禁使用含有腐蝕成分的焊膏）。具體操作步驟：
（1）首先用金相砂紙漿引線打光并吃錫，然后在進行焊接。
（2）焊接時速度要快，焊點要小，焊接牢固，不能虛焊、假焊。此外焊點位置要緊靠晶片邊緣
（3）焊好后，用無水乙醇清洗多余焊劑，測量兩極不有短路、斷路。
（4）為減少熱效應(yīng)，可以采用特制的低溫焊錫，熔點在80左右。具體配方：
•錫—重量比為16；
•鉍—重量比為38；
•鉛—重量比為39；
•鎘—重量比為
7 將配好的各金屬放在剛玉坩堝中加熱溶化在一起，冷卻后即成。
2. 壓電晶片與保護膜的粘接
（1）使用502快速粘膠粘接
（2）使用下面配方的粘接劑：
•618環(huán)氧樹脂100克
•二乙烯乙按8克
•鄰苯二甲酸二丁酯10克
（3）當接地極采用金屬環(huán)時，晶片與金屬環(huán)的粘接采用導(dǎo)電膠進行粘接（DB5015、DB2011）
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