CN102075837B - 一种高频率高灵敏度超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机器人感应、接近开关、工业高精自动化、液位测量、人体身高测试、料斗装料测试、烟雾探测器等领域的高频率高灵敏度超声波传感器，包括一端开口一端封闭的中空型塑料壳体、设置在中空型塑料壳体内的压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层、以及填充在中空型塑料壳体内部的屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压电陶瓷片周围的金属环，金属环与压电陶瓷片之间距离形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接。本发明具有驱动电压小、灵敏度高、使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机器人感应、接近开关、工业高精自动化、液位测量、人体身高测试、料斗装料测试、烟雾探测器等领域的高频率高灵敏度超声波传感器。
背景技术
压电陶瓷超声波测距都是通过给传感器脉冲驱动电压，使传感器发出超声波，当遇到障碍物时，反射波作用于传感器，通过计算传感器发射与接收的时间差与传播速度之积，从而计算出距离。
随着科技的进步，超声波传感器行业的发展突飞猛进，传统的100KHz以内的超声波传感器，主要有40KHz，48KHz，58KHz等频率较低传感器，其测试精度低于3mm，分辨率低，不能满足高精度要求；压电陶瓷超声波传感器的分辨率、测试精度与频率具有直接的关系，其工作频率越高，测试精度越高；其高于100KHz的高频率传感器在高精度工业自动化测距、烟雾浓度探测器、液位仪等，其应用领域越来越广泛，传统的高频率超声波传感器将压电陶瓷片直接与匹配层粘接，再将整个连接体装入带有一内空腔体的壳中，这种传感器存在两个问题：1、由于缺乏共振耦合的介质存在，其产品灵敏度低、发射声压低；
2、由于缺乏介质匹配耦合与共振的设计，为获得较高的灵敏度，只有提高压电陶瓷片的驱动电压，而长期在接近于极限值条件下工作，压电陶瓷片会出现裂纹损伤与产品寿命的缩短。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的提供一种高频率高灵敏度超声波传感器，其增加了一个金属环，并在压电陶瓷片与金属环之间形成谐振腔，从而增加发射波的强度，并且使压电陶瓷片获得更高的机械能量，提高产品的灵敏度。
实现本发明的技术方案如下：
一种高频率高灵敏度超声波传感器，包括一端开口一端封闭的中空型塑料壳体、设置在中空型塑料壳体内的压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层、以及填充在中空型塑料壳体内部的屏蔽材料，所述匹配层上端面设有围绕在压电陶瓷片周围的金属环，金属环与压电陶瓷片之间距离形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接。
所述金属环的上端面与塑料壳体内壁紧密配合、下端面与匹配层的上端面紧密配合，压电陶瓷片位于金属环内，压电陶瓷片的外周面与金属环的内周面之间形成所述的谐振腔。
所述谐振腔为环形的谐振腔。
所述金属环的尺寸设计，可根据环形频率公式：
F＝K×(h/l2)×V
F：环形材料的频率 单位：Hz
K：系数
h：材料厚度 单位：m
l：环形中心圆半径 单位：m
V：声速 单位：m/s
来得出金属环的环形中心圆半径，从而确定金属环的外径尺寸；由于金属环与压电陶瓷片之间介质为空气，因此金属环与压电陶瓷片之间的谐振腔与压电陶瓷片的振动频率相同；再根据压电陶瓷能量传输耦合、谐振最佳λ/4原理，即压电陶瓷片发射出的声波在空气中传播，若发射波与反射物距离为λ/4，其反射波与发射波相位差λ/2，其波形叠加后波形幅度为零，因而压电陶瓷片发射出的波完全发射出去，能量损耗降至最低，从而设计出压电陶瓷片与金属环之间谐振腔的尺寸，确定金属环的内径并最终得出整个金属环的最佳尺寸。
当传感器向外发射超声波时，压电陶瓷片不但直接通过匹配层向空气中发出超声波，而且压电陶瓷片与金属环之间的谐振腔所产生的共振频率，也推动匹配层向外发出超声波，从而使发射的总体能量比单纯压电陶瓷片的高，发射强度增强，发射声压得以提高；当发出的超声波遇到障碍物时，便会产生一个反射波，反射波机械压力式的作用于匹配层，通过匹配层将机械力传送到压电陶瓷片，并由于压电陶瓷片的正逆压电效应，压电陶瓷片对机械能进行电能的转换，使机械力信号转换为电信号，同时匹配层所接收到的超声波，也作用于金属环，其超声波的频率与金属环的固有频率一致且发生谐振，再通过谐振腔传输给压电陶瓷片，由于反射波通过匹配层直接作用于压电陶瓷片的波与通过匹配层作用于金属环产生的共振波并经过谐振腔空气介质耦合后进行叠加，使整体作用于压电陶瓷片的机械波幅度更强，压电陶瓷片所受到机械力更大，压电陶瓷所产生的电信号更强，从而有效的提高传感器的灵敏度。同样在为了获得相同的声压时，增加了金属环的高频超声波传感器比传统单纯压的压电陶瓷片传感器所给予的驱动电压更低，从而不会出现传感器为了获得较高声压与灵敏度，而长期工作在极限高电压状态下导致压电陶瓷片产生裂变、使用寿命缩短的问题。因而本发明具有驱动电压小、灵敏度高、使用寿命长的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的内部结构俯视图；
图3为图2的剖视图；
图4为本发明的耦合波形图；
图5为本发明的谐振、阻抗曲线图；
图6为本发明的灵敏度示意图；
附图中，1为塑料壳体，2为压电陶瓷片，3为金属环，4为屏蔽材料，5为谐振腔，6为匹配层，7为外部连接端子的正极，8为外部连接端子的负极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
参见图1、2、3所示，一种高频率高灵敏度超声波传感器，包括一端开口一端封闭的中空型塑料壳体1、设置在中空型塑料壳体1内的压电陶瓷片2及与压电陶瓷片2下端面相连接的匹配层6、以及填充在中空型塑料壳体内部的屏蔽材料4，压电陶瓷片的外部设有金属环3，金属环3的上端面与塑料壳体1内壁紧密配合、下端面与匹配层6的上端面紧密配合，压电陶瓷片2位于金属环3内，压电陶瓷片2的外周面与金属环3的内周面之间形成所述的谐振腔5，谐振腔5为环形的谐振腔，压电陶瓷片2的负极与金属环3电连接，外部连接端子的正极7与压电陶瓷片2的正极电连接，外部连接端子的负极8与金属环3电连接。
参见图4所示，金属环的尺寸设计，可根据环形频率公式：
F＝K×(h/l2)×V
F：环形材料的频率 单位：Hz
K：系数
h：材料厚度 单位：m
l：环形中心圆半径 单位：m
V：声速 单位：m/s
来得出金属环的环形中心圆半径，从而确定金属环的外径尺寸；由于金属环与压电陶瓷片之间介质为空气，因此金属环与压电陶瓷片之间的谐振腔与压电陶瓷片的振动频率相同；再根据压电陶瓷能量传输耦合、谐振最佳λ/4原理，即压电陶瓷片发射出的声波形一在空气中传播，若发射波与反射物距离为λ/4，其反射波与发射波相位差λ/2，如波形二所示，其波形叠加后波形幅度为零，如波形三所示，因而压电陶瓷片发射出的波完全发射出去，能量损耗降至最低，从而设计出压电陶瓷片与金属环之间谐振腔的尺寸，确定金属环的内径并最终得出整个金属环的最佳尺寸。
图2、3为去掉塑料壳体与屏蔽材料的结构图，在匹配层上增加金属环，压电陶瓷片位于金属环内，这样金属环与压电陶瓷片之间形成谐振腔，不但增加了超声波的发射强度，也使其接收灵敏度提升30％(如图6所示)，同时也改变单靠提升驱动电压来提高灵敏度而影响传感器的寿命，其使用寿命相对于传统的传感器延长了3-5年，并且产品的谐振阻抗曲线(如图5)也得到很大的改善。
以上实施方式不是对本发明的限制，本发明保护的范围包括但不限于以上实施方式，任何在本发明的基础上进行的改进都属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种高频率高灵敏度超声波传感器，包括一端开口一端封闭的中空型塑料壳体、设置在中空型塑料壳体内的压电陶瓷片及与压电陶瓷片下端面相连接的匹配层、以及填充在中空型塑料壳体内部的屏蔽材料，其特征在于：所述匹配层上端面设有围绕在压电陶瓷片周围的金属环，金属环与压电陶瓷片之间距离形成一个谐振腔，所述压电陶瓷片的负极与金属环电连接，外部连接端子的正极与压电陶瓷片的正极电连接，外部连接端子的负极与金属环电连接。
2.根据权利要求1所述的一种高频率高灵敏度超声波传感器，其特征在于：所述金属环的上端面与中空型塑料壳体内壁紧密配合，金属环的下端面与匹配层的上端面紧密配合，压电陶瓷片位于金属环内，压电陶瓷片的外周面与金属环的内周面之间形成所述的谐振腔。
3.根据权利要求1或2所述的一种高频率高灵敏度超声波传感器，其特征在于：所述谐振腔为环形的谐振腔。
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