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.
3. 元件说明
4. 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
压电式
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：ф10×1mm |
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谐振频率（FS） |
2MHz±8% |
|
谐振阻抗（FR） |
1Ω |
|
机电耦和系数（KP） |
≥0.65 |
|
静电容（C0） |
1350pF±15% |
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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 |
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吸声材料 |
环氧树脂与钨粉按比例1:4混合 |
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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）
• 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
-4Ω/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，Ω/cm：≥10
14
• 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%
• 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。
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。
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2×0.2mm
2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 |
4.3 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R×100K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。
4.4 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Z
m
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
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。
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
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
5.2 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：
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mΩ表测试外壳与压电片的直流接触电阻，合格值应小于10mΩ。
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mΩ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≥1MΩ（未接电感） |
|
J1到外壳 |
直流电阻≥1MΩ |
|
J2到外壳 |
直流电阻<10mΩ |
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。
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。
|
孔用弹性挡圈 |
轴用弹性挡圈 |
|
孔径(mm) |
挡圈主要尺寸(mm) |
价格(元) |
轴径(mm) |
挡圈主要尺寸(mm) |
价格(元) |
|
外径 |
内径 |
厚度 |
钳孔 |
内径 |
外径 |
厚度 |
钳孔 |
|
8 |
8.7 |
7 |
0.6 |
1 |
|
3 |
2.7 |
3.9 |
0.4 |
1 |
|
|
9 |
9.8 |
8 |
0.6 |
1 |
|
4 |
3.7 |
5 |
0.4 |
1 |
|
|
10 |
10.8 |
8.3 |
0.8 |
1.5 |
|
5 |
4.7 |
6.4 |
0.6 |
1 |
|
|
11 |
11.8 |
9.2 |
0.8 |
1.5 |
|
6 |
5.6 |
7.6 |
0.6 |
1.2 |
|
|
12 |
13 |
10.4 |
0.8 |
1.5 |
|
7 |
6.5 |
8.48 |
0.6 |
1.2 |
|
|
13 |
14.1 |
11.5 |
0.8 |
1.7 |
|
8 |
7.4 |
9.38 |
0.8 |
1.2 |
|
|
14 |
15.1 |
11.9 |
1 |
1.7 |
|
9 |
8.4 |
10.56 |
0.8 |
1.2 |
|
|
15 |
16.2 |
13 |
1 |
1.7 |
|
10 |
9.3 |
11.5 |
1 |
1.5 |
|
|
16 |
17.3 |
14.1 |
1 |
1.7 |
|
11 |
10.2 |
12.5 |
1 |
1.5 |
|
|
17 |
18.3 |
15.1 |
1 |
1.7 |
|
12 |
11 |
13.6 |
1 |
1.5 |
|
|
18 |
19.5 |
16.3 |
1 |
1.7 |
|
13 |
11.9 |
14.7 |
1 |
1.7 |
|
|
19 |
20.5 |
16.7 |
1 |
2 |
|
14 |
12.9 |
15.7 |
1 |
1.7 |
|
|
20 |
21.5 |
17.7 |
1 |
2 |
|
15 |
13.8 |
16.8 |
1 |
1.7 |
|
|
21 |
22.5 |
18.7 |
1 |
2 |
|
16 |
14.7 |
18.2 |
1 |
1.7 |
|
|
22 |
23.5 |
19.7 |
1 |
2 |
|
17 |
15.7 |
19.4 |
1 |
1.7 |
|
|
24 |
25.9 |
22.1 |
1.2 |
2 |
|
18 |
16.5 |
20.2 |
1 |
1.7 |
|
|
25 |
26.9 |
22.7 |
1.2 |
2 |
|
19 |
17.5 |
21.2 |
1 |
2 |
|
|
26 |
27.9 |
23.7 |
1.2 |
2 |
|
20 |
18.5 |
22.5 |
1 |
2 |
|
|
28 |
30.1 |
25.7 |
1.2 |
2 |
|
21 |
19.5 |
23.5 |
1 |
2 |
|
|
30 |
32.1 |
27.3 |
1.2 |
2 |
|
22 |
20.5 |
24.5 |
1 |
2 |
|
|
31 |
33.4 |
28.6 |
1.2 |
2.5 |
|
24 |
22.2 |
27.2 |
1.2 |
2 |
|
|
32 |
34.4 |
29.6 |
1.2 |
2.5 |
|
25 |
23.2 |
28.2 |
1.2 |
2 |
|
|
34 |
36.5 |
31.1 |
1.5 |
2.5 |
|
26 |
24.2 |
29.2 |
1.2 |
2 |
|
|
35 |
37.8 |
32.4 |
1.5 |
2.5 |
|
28 |
25.9 |
31.3 |
1.2 |
2 |
|
|
36 |
38.8 |
33.4 |
1.5 |
2.5 |
|
29 |
26.9 |
32.5 |
1.2 |
2 |
|
|
37 |
39.8 |
34.4 |
1.5 |
2.5 |
|
30 |
27.9 |
33.5 |
1.2 |
2 |
|
|
38 |
40.8 |
35.4 |
1.5 |
2.5 |
|
32 |
29.6 |
35.5 |
1.2 |
2.5 |
|
|
40 |
43.5 |
37.3 |
1.5 |
2.5 |
|
34 |
31.5 |
38 |
1.5 |
2.5 |
|
|
42 |
45.5 |
39.3 |
1.5 |
3 |
|
35 |
32.2 |
39 |
1.5 |
2.5 |
|
|
45 |
48.5 |
41.5 |
1.5 |
3 |
|
36 |
33.2 |
40 |
1.5 |
2.5 |
|
|
48 |
51.5 |
44.5 |
1.5 |
3 |
|
37 |
34.2 |
41 |
1.5 |
2.5 |
|
|
50 |
54.2 |
47.5 |
2 |
3 |
|
38 |
35.2 |
42.7 |
1.5 |
2.5 |
|
|
1. 压电晶片电极引线焊接
压电晶片安装在壳体中，通常将晶片的底面接地，上面接发射信号。电极引线通常使用直径0.2mm细铜线，采用内热式电烙铁焊接。焊接时应将烙铁头磨成尖锥形状，以减少晶片受热面积和小的焊点。在焊接前，应使用无水乙醇将焊接部位清洗干净，使用松香作为焊剂（严禁使用含有腐蚀成分的焊膏）。具体操作步骤：
（1）首先用金相砂纸浆引线打光并吃锡，然后在进行焊接。
（2）焊接时速度要快，焊点要小，焊接牢固，不能虚焊、假焊。此外焊点位置要紧靠晶片边缘
（3）焊好后，用无水乙醇清洗多余焊剂，测量两极不有短路、断路。
（4）为减少热效应，可以采用特制的低温焊锡，熔点在80左右。具体配方：
• 锡—重量比为16；
• 铋—重量比为38；
• 铅—重量比为39；
• 镉—重量比为7
将配好的各金属放在刚玉坩埚中加热溶化在一起，冷却后即成。
2. 压电晶片与保护膜的粘接
（1） 使用502快速粘胶粘接
（2） 使用下面配方的粘接剂：
• 618环氧树脂100克
• 二乙烯乙按8克
• 邻苯二甲酸二丁酯10克
（3） 当接地极采用金属环时，晶片与金属环的粘接采用导电胶进行粘接（DB5015、DB2011）
