一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器的制作方法

1.本发明主要涉及空气耦合换能器技术领域，具体涉及一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器。


背景技术：

2.空气耦合换能器是在其上施加与其机械谐振频率相同或者相近以及一定幅度的电信号，电信号驱动换能器有源元件振动，将电能转换为机械能，再通过振动将机械能转换为声能，向空气中发射声波，声波碰到被测物体后返回并被该换能器接收转换成电信号。换能器上发出的信号和接受到的回拨信号之间的时间间隔与换能器到物体表面的距离成正比，目前国内外同类产品的换能器结构一般是夹心振子和声阻抗匹配部分，空气耦合换能器的核心就是声阻抗匹配部分，空气的声阻抗远远小于压电陶瓷的声阻抗，为了使声波能够从压电陶瓷传到空气中，需要通过声阻抗匹配材料。声阻抗匹配部分材料大部分以硬质塑料、玻璃微珠以及泡沫材料为主。
3.目前空气耦合换能器多采用单层或者双层匹配层，使用空心玻璃微珠粉末和环氧树脂混合后固化而成匹配材料或者微孔发泡聚合物制成的匹配材料，这类常用的换能器虽然可以很好的匹配压电陶瓷和空气中的声阻抗，但是采用的匹配层材料都是压力敏感材料，如空气玻璃微珠与微孔发泡聚合物在高压环境下其密度和声学性能就会发生很大的改变，影响该类空耦换能器在高压空气下的耦合，甚至严重匹配层失去匹配效果。因此需要解决高压甚至高温下空气耦合的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器，包括外壳、匹配层、压电片、背衬、接口和处理装置；
6.所述背衬、压电片和匹配层沿着超声波信号发射方向依次排列，并灌封于所述外壳内，所述处理装置用于根据所述压电片所选择材料的材料参数计算所述压电片的厚度，还用于根据所述匹配层所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到所述匹配层的厚度。
7.本发明的有益效果是：能够计算压电片的厚度，并通过有限元方法设计匹配层的厚度，可适用于多种材料的选择应用，可用于高温高压环境下的超声测距，克服了高温高压对一般空耦换能器的影响，使得本发明在地下储气库等腔体介质声波测距领域具有良好的应用前景。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步，所述背衬采用耐压材料，所述匹配层所选择的材料为耐压浮力材料，所述压电片所选择的材料为高温压电陶瓷。
10.采用上述进一步方案的有益效果是：背衬采用耐压材料，能够保护压电陶瓷在振动下的安全；可根据不同的耐压情况选择不同的耐压材料。
11.进一步，所述处理装置中，根据所述压电片所选择材料的材料属性计算压电片的厚度，具体为：
12.通过第一式和所述压电片所选择材料的材料属性计算压电片的厚度，所述第一式为：
[0013][0014]
其中，h表示压电片的厚度，c表示压电片的纵波声速，f表示目标频率，λ表示目标超声波频率对应的波长。
[0015]
进一步，所述处理装置中，根据所述匹配层所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到所述匹配层的厚度，具体为：
[0016]
对所选择材料的耐压力进行测试，得到声速、密度和声阻抗，将所述声速、密度和声阻抗代入有限元模型中，并采用扫描方式对所述有限元模型进行划分，并设置参数化扫描的步长，通过所述步长和划分后的所述有限元模型输出多个导纳值，从多个导纳值中选择最大导纳值，根据最大导纳值得到所述匹配层的厚度。
[0017]
采用上述进一步方案的有益效果是：根据不同的耐压情况选择不同的匹配层材料，并通过有限元分析匹配层的最佳厚度，极大的提高了空耦换能器在高压空气中的性能。
[0018]
进一步，所述处理装置还用于对输出的多个导纳值和得到的所述匹配层的厚度进行显示。
[0019]
进一步，所述匹配层以及所述背衬均为圆形片状结构，所述匹配层以及所述背衬与所述压电片同心嵌套，所述匹配层、所述背衬和所述压电片相互之间通过环氧树脂粘接。
[0020]
采用上述进一步方案的有益效果是：使用高温环氧密封，使得本发明的空偶换能器可以应用于高温高压环境的测距中。
[0021]
进一步，通过压力装置挤压出所述匹配层、所述背衬和所述压电片之间多余的所述环氧树脂，以粘接所述匹配层、所述背衬和所述压电片。
[0022]
进一步，所述压电片的两侧设有电极，并从两侧的电极处引出导线，所述导线沿背衬导线槽电连接接口与外部仪器导通。
[0023]
进一步，所述压电片两侧设置的电极为镀铜电极。
[0024]
进一步，所述外壳与接口之间设有o型圈槽。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例提供的压电式空气耦合换能器的剖面图；
[0026]
图2为本发明实施例提供的有限元模型的示意图；
[0027]
图3为在120mpa高压空气下适用的匹配层不同厚度下换能器在设计频率周围的导纳曲线。
[0028]
附图中，各标记所代表的部件名称如下：
[0029]
1、外壳，2、环氧树脂，3、匹配层，4、压电片，5、背衬，6、接口，7、o型圈槽，8、背衬导线槽，9、有限元模型中的空气介质，10、有限元模型中的匹配层，11、有限元模型中的压电片
电极，12、有限元模型中的压电陶瓷片。
具体实施方式
[0030]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0031]
本发明的目的在于，为了解决现有的空气耦合超声压电换能器在高压下匹配层密度以及声学性质改变造成阻抗失匹的技术问题，提出了一种采用硬质耐压浮力材料作为匹配层的厚度模压电高压空耦换能器，根据不同的耐压情况选择不同的匹配层材料，并通过有限元分析最佳的匹配层，极大的提高了空耦换能器在高压空气中的性能。使得本发明在地下储气库等腔体介质声波测距领域具有良好的应用前景。下面通过实施例进行详细介绍：
[0032]
实施例1：
[0033]
如图1所示，一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器，包括外壳1、匹配层3、压电片4、背衬5、接口6和处理装置；
[0034]
所述背衬5、压电片4和匹配层3沿着超声波信号发射方向依次排列，并灌封于所述外壳1内，所述处理装置用于根据所述压电片4所选择材料的材料参数计算所述压电片4的厚度，还用于根据所述匹配层3所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到所述匹配层的厚度。
[0035]
上述实施例中，能够计算压电片的厚度，并通过有限元方法设计匹配层的厚度，可适用于多种材料的选择应用，可用于高温高压环境下的超声测距，克服了高温高压对一般空耦换能器的影响，使得本发明在地下储气库等腔体介质声波测距领域具有良好的应用前景。
[0036]
在实施例1的基础上，实施例2：
[0037]
所述背衬5采用耐压材料，所述匹配层3所选择的材料为耐压浮力材料，所述压电片4所选择的材料为高温压电陶瓷。
[0038]
上述实施例中，背衬采用耐压材料，能够保护压电陶瓷在振动下的安全；可根据不同的耐压情况选择不同的耐压材料。
[0039]
在实施例1的基础上，实施例3：
[0040]
所述处理装置中，根据所述压电片4所选择材料的材料属性计算压电片的厚度，具体为：
[0041]
通过第一式和所述压电片4所选择材料的材料属性计算压电片4的厚度，所述第一式为：
[0042][0043]
其中，h表示压电片4的厚度，c表示压电片4的纵波声速，f表示目标频率，λ表示目标超声波频率对应的波长。
[0044]
图1中h为压电片4的厚度。
[0045]
下面给出目标频率为200khz，用于120mpa高压气的空气耦合超声压电换能器的例子：
[0046]
所述高压空气耦合换能器的压电片为高温压电陶瓷pzt-4，其声阻抗为34mray1，纵波声速为4600m/s。压电片4的厚度取超声波信号设计频率对应的二分之一波长，安照公式1计算。
[0047][0048]
其中，h表示压电片4的厚度，c表示压电片4的纵波声速，f表示设计的频率，λ表示设计的超声波频率对应的波长。
[0049]
计算结果为，压电片沿厚度方向极化，该压电片的厚度为设计频率对应的二分之一波长，压电片的厚度为10mm，直径为50mm。
[0050]
在实施例1的基础上，实施例4：
[0051]
所述处理装置中，根据所述匹配层3所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到所述匹配层3的厚度，具体为：
[0052]
对所选择材料的耐压力进行测试，得到声速、密度和声阻抗，将所述声速、密度和声阻抗代入有限元模型中，并采用扫描方式对所述有限元模型进行划分，并设置参数化扫描的步长，通过所述步长和划分后的所述有限元模型输出多个导纳值，从多个导纳值中选择最大导纳值，根据最大导纳值得到所述匹配层3的厚度。
[0053]
具体地，所诉匹配层采用的耐高压浮力材料，根据不同的高压性质，选择不同的耐压材料，可选择的耐压参数有10mpa、50mpa和120mpa。
[0054]
例如，选取耐压为120mpa的浮力材料，得到其声速、密度和声阻抗，将参数代入有限元模型计算，也就是说，将各项参数通过软件输入到有限元模型中去，其中匹配层的声速、密度、声阻抗通过测定后输入，计算不同厚度下，该换能器在100～300khz频率范围内的导纳值。
[0055]
采用一种匹配层厚度的有限元分析方法，只需分析得到最合适的匹配层厚度，建立有限元模型时只需要考虑空气介质9的参数，匹配层10的参数以及压电陶瓷12的参数，为了快速得到结果，忽略换能器其他结构，建模中只考虑有限元模型中的空气介质9、有限元模型中的匹配层10和有限元模型中的压电陶瓷片12，使用有限元软件有限元模型如图2所示，分配各部分的材料属性，采用扫描方式对有限元模型进行划分，对有限元模型中的压电片电极11(压电陶瓷电极)施加相应的载荷，使用参数化扫描计算从1mm到4mm匹配层厚度下从150khz到250khz范围内换能器的导纳值，参数化扫描的步长为0.1mm。
[0056]
当阻抗匹配最合适时，输出的声能量最大，其设计频率对应的导纳值也越大，因此计算多个厚度在设计频率下的导纳值，计算的结果如图3所示，为了显示方便只选用最佳值附近的几个厚度展示。计算的步长根据实际情况与加工精度确定的。本实施例中匹配层的厚度为2.3mm。
[0057]
图1中h1为匹配层3的厚度。
[0058]
上述实施例中，根据不同的耐压情况选择不同的匹配层材料，并通过有限元分析匹配层的最佳厚度，极大的提高了空耦换能器在高压空气中的性能。
[0059]
在实施例4的基础上，实施例5：
[0060]
所述处理装置还用于对输出的多个导纳值和得到的所述匹配层3的厚度进行显示。
[0061]
上述实施例中，能够对结果进行显示，快速知晓结果。
[0062]
在实施例4的基础上，实施例5：
[0063]
所述匹配层3以及所述背衬5均为圆形片状结构，所述匹配层3以及所述背衬5与所述压电片4同心嵌套，所述匹配层3、所述背衬5和所述压电片4相互之间通过环氧树脂2粘接。
[0064]
上述实施例中，使用高温环氧密封，使得本发明的空偶换能器可以应用于高温高压环境的测距中。
[0065]
所述高温环氧采用duralco 4538柔软型环氧树脂，该环氧能在200度的高温下保持其性质，该环氧粘接负荷力很小，特别适合振动形式的粘接。
[0066]
在实施例6的基础上，实施例7：
[0067]
通过压力装置挤压出所述匹配层3、所述背衬5和所述压电片4之间多余的所述环氧树脂2，留下很薄的一层，以粘接所述匹配层3、所述背衬5和所述压电片4。
[0068]
在实施例1的基础上，实施例8：
[0069]
所述压电片4的两侧设有电极，并从两侧的电极处引出导线，所述导线沿背衬导线槽8电连接接口6与外部仪器导通。
[0070]
在实施例8的基础上，实施例9：
[0071]
所述压电片4两侧设置的电极为镀铜电极。
[0072]
在实施例8的基础上，实施例10：
[0073]
所述外壳1与接口6之间设有o型圈槽7。
[0074]
具体地，外部仪器包括处理装置、井下测距机器或外部电源等。例如，接口通过螺钉和o型圈槽7与井下测距机器连接。
[0075]
本发明提出一种单匹配层结构的厚度模压电换能器，应用耐高压材料作为匹配层且利用有限元计算最合适的厚度，使用柔软的高温环氧灌封，可以在目前空耦换能器无法使用的高温高压空气中广泛应用，上述换能器克服了高温高压对一般空耦换能器的影响，可用于高温高压环境下的超声测距。并且有多种耐压材料可以选择应用，并通过有限元计算设计匹配层厚度，显著提高了厚度模压电空耦换能器的灵敏度。
[0076]
匹配层采用耐压浮力材料，根据不同的耐压情况选择不同的耐压材料，并根据有限元分析确定匹配层厚度，使用高温环氧密封，使得本发明的空偶换能器可以应用于高温高压环境的测距中。
[0077]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0078]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

技术特征：
1.一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器，其特征在于，包括外壳(1)、匹配层(3)、压电片(4)、背衬(5)、接口(6)和处理装置；所述背衬(5)、压电片(4)和匹配层(3)沿着超声波信号发射方向依次排列，并灌封于所述外壳(1)内，所述处理装置用于根据所述压电片(4)所选择材料的材料参数计算所述压电片(4)的厚度，还用于根据所述匹配层(3)所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到所述匹配层(3)的厚度。2.根据权利要求1所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述背衬(5)采用耐压材料，所述匹配层(3)所选择的材料为耐压浮力材料，所述压电片(4)所选择的材料为高温压电陶瓷。3.根据权利要求1所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述处理装置中，根据所述压电片(4)所选择材料的材料属性计算压电片的厚度，具体为：通过第一式和所述压电片(4)所选择材料的材料属性计算压电片(4)的厚度，所述第一式为：其中，h表示压电片(4)的厚度，c表示压电片(4)的纵波声速，f表示目标频率，λ表示目标超声波频率对应的波长。4.根据权利要求1所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述处理装置中，根据所述匹配层(3)所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到所述匹配层(3)的厚度，具体为：对所选择材料的耐压力进行测试，得到声速、密度和声阻抗，将所述声速、密度和声阻抗代入有限元模型中，并采用扫描方式对所述有限元模型进行划分，并设置参数化扫描的步长，通过所述步长和划分后的所述有限元模型输出多个导纳值，从多个导纳值中选择最大导纳值，根据最大导纳值得到所述匹配层(3)的厚度。5.根据权利要求4所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述处理装置还用于对输出的多个导纳值和得到的所述匹配层(3)的厚度进行显示。6.根据权利要求1所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述匹配层(3)以及所述背衬(5)均为圆形片状结构，所述匹配层(3)以及所述背衬(5)与所述压电片(4)同心嵌套，所述匹配层(3)、所述背衬(5)和所述压电片(4)相互之间通过环氧树脂(2)粘接。7.根据权利要求6所述的压电式高温高压空耦换能器，其特征在于，通过压力装置挤压出所述匹配层(3)、所述背衬(5)和所述压电片(4)之间多余的所述环氧树脂(2)，以粘接所述匹配层(3)、所述背衬(5)和所述压电片(4)。8.根据权利要求1所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述压电片(4)的两侧设有电极，并从两侧的电极处引出导线，所述导线沿背衬导线槽(8)电连接接口(6)与外部仪器导通。9.根据权利要求8所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述压电片(4)两侧设置的电极为镀铜电极。10.根据权利要求8所述的压电式空气耦合换能器，其特征在于，所述外壳(1)与接口
(6)之间设有o型圈槽(7)。

技术总结
本发明提供一种用于高温高压的压电式空气耦合换能器，包括外壳、匹配层、压电片、背衬、接口和处理装置；背衬、压电片和匹配层沿着超声波信号发射方向依次排列，并灌封于外壳内，处理装置用于根据压电片所选择材料的材料参数计算压电片的厚度，还用于根据匹配层所选择材料对应的材料参数进行有限元分析，得到匹配层的厚度。本发明能够计算压电片的厚度，并通过有限元方法设计匹配层的厚度，可适用于多种材料的选择应用，可用于高温高压环境下的超声测距，克服了高温高压对一般空耦换能器的影响，使得本发明在地下储气库等腔体介质声波测距领域具有良好的应用前景。距领域具有良好的应用前景。距领域具有良好的应用前景。


技术研发人员：付亚平 王多才 李洪烈 任众鑫 王健 苏海波 鲁俊 张宏 张平 陈加松 侯磊 段冲 成凡
受保护的技术使用者：国家石油天然气管网集团有限公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/15