一种超声换能器外壳及超声换能器

摘要

本发明涉及一种超声换能器外壳及超声换能器，所述超声换能器外壳包括密封配合的外套体和罩体，外套体由工程塑料制成，罩体由钛合金制成，外套体包括圆柱内环和圆柱外环，圆柱内环和圆柱外环之间设有环形槽，环形槽内设有连接柱，罩体上设有与连接柱配合的连接孔，外套体上的连接柱用于连接环形槽分割的圆柱内环和圆柱外环，并穿越罩体上的连接孔，配合紧密牢固；外套体的圆柱内环高于圆柱外环，有效延长了外套体与罩体的轴向结合长度，使用所述外壳的超声换能器，有效地改善了超声换能器的品质和性能，提高了超声波热量表和超声波水表的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿命。

权利要求

1.一种超声换能器外壳，其特征在于：所述外壳包括密封配合的外套体（1）和罩体（2）；

所述外套体（1）为工程塑料制成的筒状体；

所述罩体（2）为钛合金制成的一端具有开口的空心圆柱体状。

2.如权利要求1所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述外套体（1）包括筒状套本体，筒状套本体内部贯穿有圆柱内孔（1a），筒状套本体的外周设有环形沟槽。

3.如权利要求2所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述筒状套本体包括圆柱内环（1b）和圆柱外环（1d），圆柱外环（1d）设置在圆柱内环（1b）的外周，圆柱内环（1b）的高度高于圆柱外环（1d）的高度。

4.如权利要求3所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述圆柱内环（1b）和圆柱外环（1d）之间设有环形槽（1c）。

5.如权利要求4所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述环形槽（1c）内设有连接柱（1i）；

所述连接柱（1i）沿外套体（1）的圆周方向均布。

6.如权利要求2-5其中之一所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述环形沟槽设有两个。

7.如权利要求5所述的一种超声换能器外壳，其特征在于：所述罩体（2）上设有与连接柱（1i）配合的连接孔（2c）。

8.一种超声换能器，其特征在于：所述超声换能器包括如权利要求1-7中任意一项所述的超声换能器外壳；

所述超声换能器外壳的腔体内从上往下依次装配有压电陶瓷片（4）、衬垫（5）和骨架（6）。

说明书

一种超声换能器外壳及超声换能器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种换能器，适用于热量表或水表，尤其适用于户用型超声热量表和水表，具体的说，涉及一种超声换能器外壳及超声换能器，属于换能器技术领域。

背景技术

[0002] 随我国国民经济的高速发展，对资源的需求越来越大，经历了世界性的金融危机以来，为了保证我国国民经济的可持续发展，节约能源早已提上议事日程，国家加大了节能力度，出台了相应的法律法规，集中供热计量收费和阶梯水价精确计量收费势在必行。

[0003] 我国集中供热计量收费热量表和阶梯水价精确计量水表，尤其是户用型超声热量表和水表，随着我国科学技术水平的不断提高，和综合国力的不断增强，超声热量表和水表开始大量应用，市场占有率逐步扩大；特别是超声热量表的市场占有率已达半数以上，而且占有率逐年提高。

[0004] 众所周知超声热量表和水表计量的准确度、稳定性和使用寿命取决于超声换能器的品质、材料、设计、工艺等诸因素。我国计量用超声换能器起步晚、基础研究落后。超声波在介质中的传播方式按波形划分，一般有下列几种，纵波、横波、表面波和兰姆波，由于气体和液体的剪切模量为零，所以横波只能在固体中传播。超声换能器外壳不仅完成安装、定位、密封等功能，而且直接影响超声波传播的幅值和强度、传播方向和波束的分布，决定了超声换能器的性能和参数的优劣，直接影响到超声流量计的准确度、耐压强度、稳定性和可靠性。因此超声换能器外壳的材料、结构是决定超声换能器品质的两大关键因素之一。

[0005] 目前，普通换能器外壳大都采用不锈钢、铜合金、工程塑料等材料，其存在耐压低（≤1.6MPa），超声波衰减大，温度特性差（需要温度补偿，尤其是超声热量表），压电陶瓷片和换能器外壳亲和程度差，造成超声换能器失效和破坏，严重影响了超声流量传感器的使用、推广和发展。

[0006] 目前常用的超声换能器通常采用提高供电电压的方法，提高超声输出信号的幅值，其副作用为加大了电池的输出功率，缩短了使用寿命，尤其是大量使用的户用型热量表和水表，因为不允许使用外接电源供电，无法实现利用提高供电电压的方法提高超声输出信号的幅值。

发明内容

[0007] 本发明要解决的问题是针对以上问题，提供一种超声换能器外壳，解决了现有技术中耐压低、超声波衰减大、温度特性差、与压电陶瓷片亲和程度差的缺陷，采用本发明的换能器外壳后，具有耐压高、超声波衰减小、温度特性好、与压电陶瓷片亲和程度高的优点。

[0008] 同时，还提供一种超声换能器，具有使用寿命长、准确度高、一致性和可靠性高的优点。

[0009] 为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种超声换能器外壳，其特征在于：所述外壳包括密封配合的外套体和罩体；

[0010] 所述外套体为工程塑料制成的筒状体；

[0011] 所述罩体为钛合金制成的一端具有开口的空心圆柱体状。

[0012] 一种优化方案，所述外套体包括筒状套本体，筒状套本体内部贯穿有圆柱内孔，筒状套本体的外周设有环形沟槽。

[0013] 另一种优化方案，所述筒状套本体包括圆柱内环和圆柱外环，圆柱外环设置在圆柱内环的外周，圆柱内环的高度高于圆柱外环的高度。

[0014] 再一种优化方案，所述圆柱内环和圆柱外环之间设有环形槽。

[0015] 进一步的优化方案，所述环形槽内设有连接柱；

[0016] 所述连接柱沿外套体的圆周方向均布。

[0017] 再进一步的优化方案，所述环形沟槽设有两个。

[0018] 更进一步的优化方案，所述罩体上设有与连接柱配合的连接孔。

[0019] 本发明还提供一种超声换能器，其特征在于：所述超声换能器包括上述任意一项所述的超声换能器外壳；

[0020] 所述超声换能器外壳的腔体内从上往下依次装配有压电陶瓷片、衬垫和骨架。

[0021] 本发明采取以上技术方案，具有以下优点：所述超声换能器外壳包括密封配合的外套体和罩体，外套体由工程塑料制成，罩体由钛合金制成，外套体包括圆柱内环和圆柱外环，圆柱内环和圆柱外环之间设有环形槽，环形槽内设有连接柱，罩体上设有与连接柱配合的连接孔，外套体上的连接柱用于连接环形槽分割的圆柱内环和圆柱外环，并穿越罩体上的连接孔，配合紧密牢固；外套体的圆柱内环高于圆柱外环，有效延长了外套体与罩体的轴向结合长度，本发明还提供一种使用所述外壳的超声换能器，有效地改善了超声换能器的品质和性能，提高了超声波热量表和超声波水表的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿命。

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

[0023] 附图1是本发明实施例中超声换能器外壳的结构示意图；

[0024] 附图2是本发明实施例中外套体的结构示意图；

[0025] 附图3是本发明实施例中罩体的结构示意图；

[0026] 附图4是本发明实施例中超声换能器的结构示意图；

[0027] 图中：

[0028] 1-外套体，1a-圆柱内孔，1b-圆柱内环，1c-环形槽，1d-圆柱外环，1e-上倒角，1f-第一环形沟槽，1g-第二环形沟槽，1h-下倒角，1i-连接柱，1j-环形槽内圆柱面，1k-环形槽外圆柱面，1l-上端面，1m-圆角，2-罩体，2a-外圆柱面，2b-顶部外端面，2c-连接孔，
2d-圆角，2e-顶部内端面，2f-内圆柱面，2g-底部端面，3-超声换能器外壳，4-压电陶瓷片，5-衬垫，6-骨架。

具体实施方式

[0029] 实施例，如图1所示，一种超声换能器外壳及超声换能器，所述超声换能器外壳3包括配合使用的外套体1和罩体2，所述外套体1采用工程塑料制成，所述罩体2采用钛合金制成，工程塑料制外套体1与钛合金制罩体2复合成型，所述复合成型方式可采用注塑、热熔、热塑或压铸等手段实现，所述复合成型方式均为本领域内技术人员采用的常规技术手段，故本实施例中不再赘述。

[0030] 如图2所示，所述外套体1包括筒状套本体，所述筒状套本体内部贯穿有圆柱内孔1a，筒状套本体包括圆柱内环1b和圆柱外环1d，圆柱外环1d设置在圆柱内环1b的外周，圆柱内环1b的高度高于圆柱外环1d的高度，圆柱内环1b具有上端面1l，圆柱内环1b的上端面1l与圆柱内环1b的外侧面连接处设有圆角1m，圆柱外环1d的上端面与圆柱外环1d的外侧面连接处设有上倒角1e，圆柱外环1d的下端面与圆柱外环1d的外侧面连接处设有下倒角1h，圆柱外环1d的圆周方向上设有用于放置O形密封圈的第一环形沟槽1f和第二环形沟槽1g，所述第一环形沟槽1f和第二环形沟槽1g的横截面为矩形，第一环形沟槽1f和第二环形沟槽1g的棱边均设有圆角，所述圆柱内环1b和圆柱外环1d之间设有环形槽1c，环形槽1c的内侧具有环形槽内圆柱面1j，环形槽1c的外侧具有环形槽外圆柱面1k，所述环形槽1c内设有连接柱1i，所述连接柱1i沿外套体1的圆周方向均布，连接柱1i用于连接圆柱内环1b和圆柱外环1d。

[0031] 如图3所示，所述罩体2为一端开口的空心圆柱体状，罩体2上设有连接孔2c，所述连接孔2c沿罩体1的圆周方向均布，连接孔2c用于与外套体1上的连接柱1i配合，罩体2具有顶部外端面2b、顶部内端面2e、外圆柱面2a、内圆柱面2f和底部端面2g，底部端面2g位于罩体2的开口端，所述顶部内端面2e与内圆柱面2f的连接处具有圆角2d，所述罩体2上的圆角2d与外套体1上的圆角1m紧密配合。

[0032] 采用钛合金材料制造罩体，钛合金与压电陶瓷片的亲和度最好，在不同温度下压电陶瓷片发射超声信号的幅值变化率最小，经试验，在20℃、50℃、90℃条件下，其它参数恒定时压电陶瓷片发射超声信号的幅值分别为：670mV、690mV、660mV，其测试结果优于其它材料的匹配，同时对超声信号的衰减率也远低于其它材料；采用钛合金罩体制造的换能器外壳机械强度高，密封性能有大幅度提高，经试验在高温（160℃）和高压（5MPa）条件下，密封可靠，无介质渗漏和压力下降，按EN1434-2014欧洲标准做4000次温度冲击（温度变化，低温20℃，高温80℃）试验，顺利通过试验测试。

[0033] 工程塑料外套体，其材料之间的亲和度、连接强度、抗老化性、密封性均达到最佳匹配，工程塑料分布位置不影响压电陶瓷片超声波主波束的特性，在超声波主波束范围内无工程塑料结构体，且远离超声波主波束，因此超声信号不被衰减、屏蔽和干扰。

[0034] 换能器外壳使用钛合金罩与工程塑料外套复合成型，特别指出的是钛合金与工程塑料是不能熔合的两种材料，又分别属于金属和高分子聚合物，要妥善解决两者之间的亲和度、附着度（或粘合度）、机械强度和密封性等理化性能，本发明巧妙地使用了结构设计、形体设计，有效地解决了所述问题，工程塑料外套体上部环形槽内外圆柱面之间设有与钛合金罩体连接孔几何形状和尺寸相对应的连接柱，连接圆环状沟槽分割的圆柱内环和圆柱外环，并穿越钛合金罩体上的连接孔，起到了“穿针引线”的作用，用工程塑料外套体来缝合钛合金罩体；工程塑料外套体的圆柱内环高于圆柱外环，有效延长了工程塑料外套与钛合金罩的轴向结合长度。

[0035] 本发明的推广和应用，将有效地改善了超声换能器的品质和性能，提高了超声波热量表和超声波水表的准确度、一致性和可靠性，延长了使用寿命，更加适合于我国集中供热和供水的现状，尤其随着国家建筑节能计量收费政策的推行，提高集中供热和供水计量的法定仪表计量精度和改善流量特性有着极其重要的作用，也有着广阔的推广应用前景。

[0036] 如图4所示，一种超声换能器，包括超声换能器外壳3，超声换能器外壳3的腔体内从上往下依次装配有压电陶瓷片4、衬垫5和骨架6。

[0037] 所述超声换能器，输出信号幅值稳定且合理，其超声输出信号的幅值温度特性平坦，在20℃～90℃信号幅值变化≤30mV，工程塑料的空间分布不影响超声信号主波束的发射和接受，钛合金对超声信号的衰减极低，有利于超声信号的发射和接受。

[0038] 所述工程塑料外套体和钛合金罩体合理的空间结构和位置设计，保证了所述超声换能器的密封性能好，耐压特性和耐温特性同时得到提高，并通过了EN1434-2014欧洲标准做4000次温度冲击（温度变化，低温20℃，高温80℃）试验。

[0039] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。