УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использовано в измерительных приборах для измерения скорости потока жидких и газообразных сред.
Такие измерительные приборы содержат один или несколько измерительных каналов. Канал обычно состоит из двух одинаковых обратимых ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей (датчиков), попеременно выполняющих функцию излучателя и приемника, обращенных друг к другу излучающими поверхностями, между которыми находится измеряемая среда. В ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователях мощность электрических сигналов преобразуется в акустическую мощность и наоборот. Измеряемые среды зачастую имеют значительное поглощение ультразвуковых колебаний, что снижает коэффициент передачи измерительного канала, ухудшая соотношение сигнал/шум, снижая точность измерений и приводя к неработоспособности измерительного прибора. Коэффициент передачи измерительного канала может относиться к мощности, напряжению или току. В предлагаемом изобретении для определенности имеется в виду коэффициент передачи по мощности (как электрической, так и акустической), и этот коэффициент определяется как отношение выходной мощности к входной. Поэтому увеличение коэффициентов передачи преобразователей в измерительном канале является одной из важнейших задач при создании ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей (датчиков).
Известен ультразвуковой датчик, содержащий пустотелый цилиндрический корпус, через диафрагму которого распространяется ультразвуковое излучение; изолирующий слой, расположенный на диафрагме с внутренней стороны корпуса; пьезоэлемент, имеющий верхний и нижний электроды, расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности изолирующего слоя; удерживающий пластмассовый прижим, через который проходят проводники от электродов пьезоэлемента, опирающийся своей нижней плоскостью на верхнюю поверхность пьезоэлемента; крышку корпуса, имеющую отверстие, для вывода проводников от электродов пьезоэлемента; пружину, опирающуюся верхней частью в крышку корпуса, а нижней - в верхнюю часть удерживающего прижима. На массивный удерживающий прижим сверху давит по периметру коническая пружина, а снизу прижим контактирует с пьезоэлементом и охватывает его с боков выступающим буртиком (JPH 10221138, G01F 1/66, 1998).
Недостатком описанного ультразвукового датчика является прохождение части акустической мощности с верхней поверхности пьезоэлемента в тело удерживающего прижима через большую площадь их соприкосновения, что приводит к уменьшению полезной мощности, излученной в направлении диафрагмы корпуса, соответственно, уменьшению коэффициента передачи ультразвукового датчика.
Известен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, который содержит патрубок с конусообразной внутренней поверхностью, выполненной в его нижнем конце. Звукопровод выполнен в виде единого конструктивного элемента, включающего цилиндр, усеченный конус и усеченную сферу, контактирующую своей окружностью с внутренней конусообразной поверхностью патрубка. Усеченный конус может быть выполнен с канавками, заполненными звукопоглощающим материалом, обеспечивающим ослабление и поглощение мощности акустических колебаний (патент РФ 2402112, H01L 41/08, 2010).
Недостатком описанного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя является небольшой коэффициент передачи по причине прохождения значительной части акустической мощности с верхней поверхности пьезоэлемента в демпфер через большую площадь их соприкосновения, что приводит к уменьшению акустической мощности, излученной в звукопровод.
Известен ультразвуковой приемопередатчик, содержащий пустотелый цилиндрический корпус, через дно которого распространяется ультразвуковое излучение; пьезоэлемент, имеющий верхний и нижний электроды и расположенный внутри пустотелого цилиндрического корпуса, установленный своей нижней поверхностью на дне корпуса; удерживающий прижим, имеющий отверстие для вывода проводника от верхней площадки пьезоэлемента и опирающийся своей нижней плоскостью на верхнюю поверхность пьезоэлемента; крышку корпуса из изоляционного материала, имеющую центральное отверстие для вывода проводника от верхнего электрода пьезоэлемента; спиральную пружину, опирающуюся верхней частью в крышку корпуса, а нижней - в верхнюю часть удерживающего прижима; проводник, электрически соединяющий нижний электрод пьезоэлемента с корпусом (ЕР 0260335, G01F 1/66, 1988).
Недостатком ультразвукового приемопередатчика является прохождение части акустической мощности с верхней поверхности пьезоэлемента в тело удерживающего прижима через большую площадь их соприкосновения, что приводит к уменьшению полезной акустической мощности, излученной в направлении дна корпуса, и, следовательно, к уменьшению коэффициента передачи ультразвукового приемопередатчика.
Кроме того, в устройстве не предусмотрена изоляция нижнего электрода 22 пьезоэлемента от металлического корпуса 16, которые соединены между собой через проводящий прижим 56 (фиг. 5 и 6 описания к этому патенту). Отсутствие такой изоляции приводит к низкой помехозащищенности от блуждающих токов и напряжений в трубопроводе при работе электрооборудования, например насосов, по причине гальванического соединения нижнего электрода пьезоэлемента с корпусом приемопередатчика. Это приводит к росту шумов в приемопередатчиках и к ухудшению соотношения сигнал/шум в измерительном канале, что снижает точность измерения прибора.
Последний недостаток устранен в устройстве, наиболее близком к заявляемому, - в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем звукопровод, на верхней поверхности которого расположено нижнее основание пустотелого цилиндрического корпуса, внутри которого расположен пьезоэлемент, имеющий верхний и нижний электроды, изолятор, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента, промежуточный элемент, расположенный между пьезоэлементом и пружиной, верхняя часть которой расположена на внутренней поверхности крышки, крышку с отверстием для вывода проводников, соединенных с верхним и нижним электродами пьезоэлемента (патент РФ 2396732, H01R 17/00, 2010). Преобразователь имеет также внешний патрубок, внутри которого расположен пустотелый цилиндрический корпус, а промежуточный элемент представляет собой демпфер, установленный своей сплошной нижней поверхностью на верхней поверхности пьезоэлемента. Нижняя поверхность демпфера имеет большую площадь соприкосновения с пьезоэлементом. Пружина установлена своим нижним концом на верхней поверхности демпфера. Крышка расположена в верхней части пустотелого цилиндрического корпуса. Изолятор, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента, исключает попадание на пьезоэлемент напряжений, появляющихся в трубопроводе с контролируемой средой за счет блуждающих токов и напряжений от работающего электрооборудования (насосы и т.д.). Демпфер выполнен из электроизоляционного материала, который выбирается с удельным акустическим сопротивлением близким к удельному акустическому сопротивлению пьезоэлемента. Демпфер имеет значительные габариты, т.к. поглощение акустической мощности эффективно осуществляется демпфером, имеющим значительную высоту.
Недостатком данного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя является небольшой коэффициент передачи мощности в акустической части ультразвукового преобразователя из-за наличия демпфера значительного размера, в который поступает мощность акустических колебаний с верхней поверхности пьезоэлемента. Указанный недостаток усугубляется тем, что в измерительный канал входят два приемопередающих ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователя, поэтому небольшой коэффициент передачи мощности в акустической части каждого из них вносит свой негативный вклад в уменьшение коэффициента передачи мощности измерительного канала.
Кроме того, демпфер, имея значительные размеры для обеспечения необходимого ослабления мощности акустических колебаний, увеличивает длину ультразвукового пьезопреобразователя и ограничивает возможность его применения, например, в погружных расходомерах.
Задачей изобретения является увеличение коэффициента передачи акустической мощности ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.
Поставленная задача решается тем, что в ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем звукопровод, на верхней поверхности которого расположено нижнее основание пустотелого цилиндрического корпуса, внутри которого расположены пьезоэлемент, имеющий верхний и нижний электроды; изолятор, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента; промежуточный элемент, расположенный между пьезоэлементом и пружиной, верхняя часть которой расположена на внутренней поверхности крышки, и крышку с отверстием для вывода проводников, соединенных с верхним и нижним электродами пьезоэлемента, промежуточный элемент выполнен, например, в виде муфты, имеющей, по меньшей мере, одно отверстие, через которое проходят проводники от электродов пьезоэлемента, и установленной на соприкасающейся с ней части площади верхней поверхности пьезоэлемента, причем площадь контакта муфты с верхней поверхностью пьезоэлемента составляет от 5% до 50% площади верхней поверхности пьезоэлемента, удельное акустическое сопротивление материала муфты составляет 5%-17% от удельного акустического сопротивления материала пьезоэлемента, а пьезоэлемент, изолятор и звукопровод соединены акустически прозрачными слоями, пружина установлена с возможностью передачи прижимного усилия через муфту на пьезоэлемент, изолятор и звукопровод.
Пространство между деталями преобразователя и полого цилиндрического корпуса может быть заполнено компаундом, имеющим низкое удельное акустическое сопротивление.
Между пружиной и муфтой может быть расположена деталь, выполненная, например, в виде металлической втулки, установленной своей нижней поверхностью на основании муфты, а нижняя часть пружины установлена по торцу верхней поверхности втулки.
Выполнение промежуточного элемента в виде муфты, имеющей, по меньшей мере, одно отверстие, через которое проходят проводники от электродов пьезоэлемента, и установленной на соприкасающейся с ней части площади верхней поверхности пьезоэлемента, причем площадь контакта муфты с верхней поверхностью пьезоэлемента составляет от 5% до 50% площади верхней поверхности пьезоэлемента, позволяет отразить практически всю акустическую мощность сигнала от той части верхней поверхности пьезоэлемента, которая не контактирует с муфтой, а контактирует с воздухом, направить ее в звукопровод и, тем самым, увеличить в нем полезную мощность акустического сигнала, что увеличивает коэффициент передачи акустической мощности.
Меньшее значение площади контакта (5%) обусловлено требованием обеспечения достаточной прочности промежуточной детали - муфты при передаче на нее усилия пружины. Большее значение (50%) получено как допустимое в результате экспериментов при отработке конструкции ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.
Удельное акустическое сопротивление материала муфты составляет 5%-17% от удельного акустического сопротивления материала пьезоэлемента, что позволяет отразить более половины акустической мощности сигнала от той части верхней поверхности пьезоэлемента, которая контактирует с муфтой, также направить ее в звукопровод, тем самым увеличить в нем полезную мощность акустического сигнала.
Материал пьезоэлемента имеет достаточно высокое удельное акустическое сопротивление, поэтому диэлектрический материал муфты при прочих равных условиях должен выбираться с наименьшим удельным акустическим сопротивлением. Это приводит к увеличению отражения акустической мощности на границе раздела материалов пьезоэлемента и муфты, что дополнительно препятствует прохождению мощности как из пьезоэлемента в муфту, так и из нее в пьезоэлемент.
Меньшее значение нормированного акустического сопротивления материала промежуточной детали (5%) обусловлено тем, что диэлектрические материалы с меньшим акустическим сопротивлением также имеют недостаточную прочность. Большее значение (17%) выбрано из критерия отражения примерно половины мощности на границе раздела материала муфты и материала пьезоэлемента.
Пьезоэлемент, изолятор и звукопровод соединены акустически прозрачными слоями, которыми могут быть тонкие слои клея или контактной смазки, предназначенные для заполнения микроскопических зазоров между вышеназванными деталями, и за счет своей высокой упругости, в отличие от воздуха, осуществляют акустический контакт между этими деталями, что и позволяет передавать в режиме передачи от пьезоэлемента в звукопровод (или от звукопровода в пьезоэлемент в режиме приема) акустическую мощность.
Пружина при сборке ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя подвергается деформации, при этом возникает определенное осевое прижимное усилие, которое передается через муфту (или втулку и муфту) на пьезоэлемент, изолятор и звукопровод. При этом верхушки неровностей на поверхностях этих деталей, появившиеся в результате механической обработки, деформируются, детали лучше соприкасаются, переходные слои становятся тоньше, совокупность этих эффектов приводит к лучшей передаче акустической мощности, следовательно, к росту коэффициента передачи.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
- на рис. 1 представлен один из вариантов ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, в котором муфта контактирует с пружиной непосредственно;
- на рис. 2 представлен один из вариантов ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, в котором муфта контактирует с пружиной через втулку.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (рис. 1) содержит звукопровод 1, пустотелый цилиндрический корпус 2, внутри которого расположены: изолятор 3, пьезоэлемент 4, имеющий верхний и нижний электроды, промежуточный элемент, выполненный в виде муфты 5, имеющей, по меньшей мере, одно отверстие, через которое проходят проводники 6 от электродов пьезоэлемента 4, пружину 7, крышку 8.
Пьезоэлемент 4, изолятор 3 и звукопровод 1 соединены акустически прозрачными слоями 9, а пространство внутри полого цилиндрического корпуса 2 может быть заполнено компаундом, имеющим низкое удельное акустическое сопротивление.
Пустотелый цилиндрический корпус 2 установлен своим нижним основанием на поверхности верхнего основания звукопровода 1. На наружной радиальной поверхности звукопровода 1 имеются кольцевые канавки, заполненные специальным компаундом, поглощающим акустическую мощность ультразвуковых колебаний, падающих на эту поверхность. Изолятор 3 установлен своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода 1, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента 4. Муфта 5 установлена на соприкасающейся с ней части площади верхней поверхности пьезоэлемента 4 таким образом, что опирается своей нижней небольшой опорной поверхностью на небольшую часть верхней поверхности пьезоэлемента 4 (например, по кольцу периметра, центральной частью, по секторам периметра либо другой конфигурации верхней контактируемой части пьезоэлемента 4). Площадь контакта муфты 5 с верхней поверхностью пьезоэлемента 4 составляет от 5% до 50% площади верхней поверхности пьезоэлемента. Верхняя часть пружины 7 расположена на внутренней поверхности крышки 8. Пружина 7 установлена с возможностью непосредственной передачи прижимного усилия через муфту 5 на пьезоэлемент 4, изолятор 3 и звукопровод 1. Нижняя часть пружины 7 опирается на торец муфты 5. Верхняя часть пружины 7 опирается на нижнюю поверхность (нижний кольцевой выступ) крышки 8. Пружина 7 может быть дисковой, спиральной или любого другого вида. Пружина 7 передает осевое сжимающее усилие на муфту 5 и, соответственно, на пьезоэлемент 4, изолятор 3 и звукопровод 1, а также на акустически прозрачные слои, соединяющие между собой эти детали. Это дополнительное усилие обеспечивает лучшую передачу акустической мощности и удерживает вышеназванные детали от возникновения дефектов в акустически прозрачных слоях при воздействии дестабилизирующих факторов, например термоударах. Крышка 8 с отверстием расположена в верхней части пустотелого цилиндрического корпуса 2. В крышке 8 выполнено отверстие для установки в нем верхней части муфты 5 с выходящими из ее отверстия (отверстий) проводниками 6, соединенными с верхним и нижним электродами пьезоэлемента 4.
Звукопровод 1, пустотелый цилиндрический корпус 2, крышка 8 могут быть выполнены из металла, муфта 5 выполнена из диэлектрика. Наименьшая длина звукопровода 1 выбирается таким образом, чтобы начало сигнала, прошедшего через звукопровод 1, отраженного от его контактирующей с измеряемой средой части, вернувшегося на пьезоэлемент 4 и ставшего помехой, не накладывалось на конец излучаемого полезного сигнала. Эта помеха, многократно отражаясь от границ раздела материалов, распространяется по звукопроводу и поглощается на его радиальных поверхностях, где имеются кольцевые канавки, заполненные специальным компаундом.
Материал пьезоэлемента 4 имеет достаточно высокое удельное акустическое сопротивление, поэтому диэлектрический материал муфты 5 при прочих равных условиях должен выбираться с наименьшим удельным акустическим сопротивлением. Это приводит к увеличению отражения акустической мощности на границе раздела материалов пьезоэлемента 4 и муфты 5, что дополнительно препятствует прохождению мощности как из пьезоэлемента 4 в муфту 5, так и из муфты 5 в пьезоэлемент 4. Исходя из этого материал муфты 5 имеет удельное акустическое сопротивление, составляющее 5%-17% от удельного акустического сопротивления пьезоэлемента 4. Такими материалами могут быть пластмассы, например поликарбонаты, фенопласты, фторопласты, стекловолокниты и др. Акустически прозрачные переходные слои 9 могут быть выполнены любым известным образом, например с помощью клея, контактных смазок, невысыхающих гелей и т.п.
На рис. 2 представлен другой вариант выполнения ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, в котором между пружиной 7 и муфтой 5 расположена деталь, выполненная в виде, например, металлической втулки 10 и установленная своей нижней поверхностью на основании муфты 5, а нижняя часть пружины 7 установлена на верхней поверхности втулки 10 по ее торцу.
В данном варианте выполнения втулка 10 передает от пружины 7 осевое сжимающее усилие на муфту 5 и, соответственно, на пьезоэлемент 4, изолятор 3 и звукопровод 1, а также на акустически прозрачные переходные слои 9, соединяющие между собой эти детали. Кроме того, металлическая втулка 10 электрически через пружину 7 и крышку 8 соединенная с корпусом 2, охватывает верхний электрод пьезоэлемента 4 и проводники 6, тем самым обеспечивает дополнительное экранирование этих самых чувствительных к электромагнитным наводкам элементов ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя. Пружина 7 расположена внутри пустотелого цилиндрического корпуса 2, верхняя часть пружины 7 опирается на нижнюю поверхность (нижний кольцевой выступ) крышки 8, а нижняя часть пружины 7 опирается на торец втулки 10.
В других вариантах выполнения (на чертежах не показаны) крышка может опираться непосредственно на муфту либо втулку.
Устройство работает следующим образом.
Через проводники 6 на электроды пьезоэлемента 4 с выхода генератора (на чертеже не показан) на рабочей частоте подается переменное напряжение электрического сигнала определенной длительности (рис. 1). Пьезоэлемент 4 при этом за счет пьезоэффекта изменяется по толщине и преобразует входную мощность электрического сигнала в выходную мощность ультразвуковых колебаний. Основная часть преобразованной мощности излучается нижней рабочей поверхностью пьезоэлемента 4, проходит через изолятор 3 в звукопровод 1, достигает его нижнего торца, который контактирует с измеряемой средой. Часть мощности излучается торцевой поверхностью звукопровода 1 в измеряемую среду, проходит ее, достигает торца звукопровода такого же ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, работающего в режиме приема, проходит звукопровод 1, изолятор 3, поступает на нижнюю поверхность пьезоэлемента 4, преобразующего за счет обратного пьезоэффекта акустическую мощность сигнала в мощность электрическую, которая затем поступает на вход усилителя измерительного прибора (на чертеже не показан). Акустический сигнал, прошедший через измеряемую среду, содержит информацию о скорости потока этой среды. Обработка этой информации в измерительном приборе и позволяет вычислить скорость потока измеряемой среды.
Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в акустической части ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.
Известно, что коэффициент отражения по амплитуде R на границе раздела двух акустических сред определяется как:
где Z1 и Z2 - удельные акустические сопротивления материала соответственно первой и второй среды.
Коэффициент отражения по мощности определяется как
Большая часть верхней поверхности пьезоэлемента 4, которая не соприкасается с муфтой 5, соприкасается с воздухом, удельное акустическое сопротивление которого на пять порядков меньше удельного акустического сопротивления пьезоэлемента. При таких соотношениях удельных акустических сопротивлений двух сред коэффициент отражения по мощности практически равен 1. Это означает, что вся акустическая мощность отражается от границы раздела сред: материал муфты - воздух. Пьезоэлемент имеет полуволновую длину на центральной рабочей частоте, поэтому отраженный от верхней поверхности пьезоэлемента сигнал совпадает по фазе с полезным, что приводит к сложению их амплитуд и, следовательно, к увеличению полезной акустической мощности и росту результирующего коэффициента передачи в отличие от преобразователей с демпферами, где та часть акустической мощности, которая попадает в демпфер, проходит в нем длинный путь и поглощается.
Аналогичным образом для большего отражения акустической мощности в областях касания поверхностей пьезоэлемента 4 и муфты 5 требуется создать большую разность удельных акустических сопротивлений материала пьезоэлемента 4 и материала муфты 5. Если удельное акустическое сопротивление материала муфты менее 17% удельного акустического сопротивления материала пьезоэлемента 4, то, как следует из формул (1) и (2), более половины акустической мощности в местах соприкосновения двух этих деталей отражается в пьезоэлемент 4 и излучается в звукопровод 1, складываясь с акустической мощностью, излученной нижней поверхностью пьезоэлемента, что также приводит к дополнительному увеличению коэффициента передачи ультразвукового пьезопреобразователя.
При экспериментальной проверке были изготовлены два подобных измерительных канала, один с ультразвуковыми пьезоэлектрическими преобразователями, содержащими демпфер, в другом вместо демпфера использовалась муфта, изготовленная из текстолита, удельное акустическое сопротивление которого в 9 раз меньше удельного акустического сопротивления материала пьезоэлемента; при этом площадь контакта промежуточной детали составляла 30% площади пьезоэлемента. Сравнительная проверка этих измерительных каналов показала, что предложенное устройство, по сравнению с ультразвуковыми пьезоэлектрическими преобразователями, содержащими демпфер, привело к увеличению коэффициента передачи измерительного канала на 4 дБ. Таким образом, теоретические предпосылки были подтверждены при экспериментальной проверке.
В измерительных приборах имеется необходимость измерять скорость потока загрязненных сред, создающих большое ослабление ультразвуковым колебаниям, кроме этого рост осадка на излучающей поверхности преобразователя, контактирующей с измеряемой средой, приводит к уменьшению коэффициента передачи измерительного канала, увеличению погрешности измерения и далее к неработоспособности прибора. Применение предлагаемых ультразвуковых преобразователей с большим коэффициентом передачи в измерительных каналах приборов расширяет возможность измерения сред с большими поглощениями ультразвука, увеличивает время безотказной работы приборов и улучшает их метрологические характеристики.