CN1299442A - 管式超声传感器 - Google Patents

Abstract

一种改进超声传感器的高输出特性的方法,其特征是迫使一种冷却气体(13)穿过该传感器,因此使一个冷却件(3)穿过围绕着一个中心流体管道(21)的至少一个压电元件(6)的内径处。在一个优选实施例中使用了六氟化硫作为冷却气体。

Description

管式超声传感器

本发明涉及一种超声传感器，更确切地说，是一种具有管式压电元件用于径向振动的大功率超声传感器。

有时超声传感器需使用于热传导率降低的环境。例如，可浸入水中的传感器，以及在高温环境工作的传感器。

不考虑传感器的设计，一个高的室温就构成一个热传导率降低的环境。传感器的压电元件产生的热会在传感器内部形成高的固有温度，甚于传到周围的热量。

在一个可浸入水中的超声传感器中，热量被包围在传感器之内。可浸水的传感器的包封是密封的，以保证传感器可以在水中工作，因此从传感器中将过多的热量排出就很困难。本领域已知很多种可浸水传感器。例如英国专利1266143(H.J.Wbllaston)公开了一种超声传感器，其中的传感器的振荡压电元件被包围在一个管式的包封之中。

此外，传统的设置在表面的传感器，例如在一个坦克外壁上的传感器，经常必须要另包装和密封以应付恶劣的工业环境，从而也会发生与可浸水的传感器相似的情况。

因此，对传感器的压电元件的包装将减小压电元件与传感器周围环境间的热传导率，从而降低压电元件的冷却。压电材料增加的温度将降低其机电效率并最终-典型地在大约608°F(320℃)-材料将消除极性而一无用处。

在大功率传感器的情况尤其明显，其所使用的较大功率能够在传感器的压电元件以及包装内产生相当大的内热，特别是当全部共振系统没有适当的声学和电学调谐时。

此外，大功率超声传感器的寿命会由于压电元件的尖端之间以及传感器的其它导电部分之间的电晕放电和电弧放电而降低。如果出现有机物，电晕放电将引发导电碳层，并且当不同的电极的间距缩小时，将出现击穿。电弧放电会导致压电材料变劣。尽管这些现象并不局限于包装的传感器，电弧放电的发生仍然是除由高温引起的变劣之外的一个不利因素。

传统的减小电弧效应的方法是将压电元件堆浸于绝缘介质中，但是这又导致进一步降低压电元件和传感器周围之间的热传导率。

在美国专利4,011,474中公开了一种传感器，它的扁平压电元件叠放在一起，在这方面有改良的特性，其改良之处在于一层绝缘介质在加压状态下被加到碟形的压电元件的径向末端。绝缘介质可以是固体材料，也可以是流体，优选液体。

尽管所加到压电元件的绝缘介质，如美国专利4,011,474所描述的，能够降低变劣电弧的发生，低热传导率的问题依然存在。

这里，将具有至少一个管式压电元件的超声传感器，或者围绕一个中心轴的圆周设置、用于产生相对于中心轴的径向振动的多个压电元件形成的超声传感器命名为管式超声传感器。管式超声传感器在美国专利4,220,887和EP0251797中有描述。

上面所述的缺点对管式超声传感器亦然。

本发明的一个目的是提供一种用于产生具有改良效率的大功率超声振动的管式超声传感。

这一目的通过下述方法实现，其中限定了一种通过冷却剂的流动冷却管式传感器的压电元件的方法。一种用于改进超声传感器的输出的方法，用于使用了至少一个压电元件的传感器类型，该压电元件围绕中心流体管道的中心轴排列，该至少一个压电元件上施加的交流电使其沿相对于中心轴的径向振动，从而向中心流体管道发射超声能量，该至少一个压电元件被包封在一个液密性外壳中，其特征在于它包括以下步骤：

在传感器外壳上设置至少一个气体入口和至少一个气体出口；

使气体传导装置与每个压电元件相接触，方式是分别有一个流动通道将气体传导装置和所说的气体入口和所说的气体出口相连通；

选择冷却气体；

迫使冷却气体通过气体传导装置，从而冷却至少一个压电元件。

在本发明的一个优选实施例中，冷却剂是能够抑制电晕放电和电弧现象的气体。在最佳实施例中，该气体以六氟化硫为主要成分。

在第二方面本发明提供一种根据下述方法的超声传感器器件，其中限定了一种用于本发明的方法的超声传感器器件。一种超声传感器，它采用了至少一个围绕一个中心流体管道的压电元件，并设置有用于将交流电引入该元件的相对表面的装置，用以使其响应产生相对于中心流体管道的中心轴的径向尺寸变化，该至少一个压电元件被包封在一个气密性外壳中，其特征在于该器件包括：

至少一个位于外壳上用于供给冷却气体的入口管道，和至少一个位于外壳上用于排放所说的冷却气体的出口管道；

与每个压电元件相接触以便使用所说的冷却气体冷却压电元件的气体传导装置，其中所说的气体传导装置上有至少一个沟道，为该气体传导装置提供一个贯通该气体传导装置的气体流动路径，从而保证冷却气体从压电元件上将热量输送到传感器之外。

下面借助附图通过例举方式描述用于根据本发明的方法的超声传感器器件。其中：

图1是根据本发明的传感器的实施例的侧视图。

图2是第一实施例的由冷却元件包围的压电元件组的前视图。

图3是第二实施例的由冷却元件包围的压电元件组的前视图。

图4是根据图3的组的侧面剖视图。

超声传感器的压电元件的温度在工作过程中会由于压电材料间的摩擦以及传感器内部积存的声能而升高，当传感器系统调整不当时犹甚。因此，很显然，压电材料只有在能够保证材料在能维持其有效性能的温度下才可以发射超声能量。

根据本发明，一种通过对压电元件进行冷却从而能够保证在中心轴周围至少有一个压电元件、以产生相对于中心轴的径向振动的传感器产生较高的超声能量的的方法，包括以下步骤：

在传感器上设置至少一个气体入口和至少一个气体出口；

设置一个与每个压电元件接触的气体传导路径；

选择冷却气体；

通过使用外部的压力源迫使所说的冷却气体流经气体传导路径从而冷却相邻的压电元件。

现在结合附图1和2描述用于本发明的方法的、用于传送超声能量进入一个中心含液体的管的优选管式超声传感器。

根据图1，管式超声传感器包括一个圆柱形外壳4，其两端各用一个通过螺栓12(只画出了一个)固定于圆柱外壳的圆形末端平板5A,5B封闭。

一个用于输送液体(超声能量将被发射至.此)的中心流体导管21穿过末端平板5A,5B的中心孔置于圆柱外壳之内。中心流体导管由一边一根两根连接管2A,2B，以金属对金属的接触插入中心套筒部位3装配而成。每根连接管分别穿过每个末端平板的中心孔并由一个拧在连接管的外螺纹上的螺母22固定在末端平板上。

参照图1和图2，套筒3上形成有若干位于套筒的内外筒之间轴向延伸的沟道14，从而使套筒的两个端表面相互连通，使其起气体传送路径的作用。

套筒3紧密地插入空心圆柱形的压电元件6的中心孔中。压电元件6以相应方式插入一个厚壁的金属管7的中心孔中。为了取得压电元件的适当预应力，(其目的在本领域中是熟知的)以及与金属管7的良好热接触，压电元件6与套筒3一起进行热缩处理。

轴向贯穿厚壁金属管7形成了沟道28。

厚壁金属管7的外径的选择标准是它与圆柱外壳4的内径密配合。沿管7的外径开有间距略微不规则的槽24。以避免管内的环行共振。在图2和图3中，分别示出三种间隔为90°,120°,150°的槽。在圆柱的外周，紧靠厚壁金属管之上，缠绕和箍着一个金属带20，目的是在金属管7与圆柱外壳之间产生良好的声学接触。金属带20还起到声反射器的作用。

圆柱外壳4和末端平板5A,5B的材料可以从任何适合的电绝缘材料中选择，例如丙烯酸塑料。金属部分最好用不锈钢制造。压电元件6的材料可以是本领域中任何适合的陶瓷材料，例如锆酸钛酸铅(PZT)，钛酸铅(PT)，偏铌酸铅和钛酸铋。

厚壁金属管7通过焊点10电连接到金属杆9上。该杆通过一个密封孔17穿过末端平板5B与一个外部的控制和电源单元相连(未画出)。通过常规的方式，例如焊接到连接管2A,2B之一上的连接电缆为中心流体形成一个地线。这样外部控制和电源单元能够被用于在相对于中心流体管道的中心轴的径向振荡压电元件6，从而发射超声能量进入中心流体管道21中的流体。

通过圆柱外壳4设置了至少一个气体入口11和至少一个气体出口8，这样气体入口和气体出口被厚壁金属管7分离。气体入口开进位于金属管7与右侧(看图1时)之间的入口仓25，而气体出口将位于金属管7的另一侧的相应出口仓19与圆柱外壳的外侧相连通。

套筒3上的沟道14和厚壁金属管7上的沟道28为气体由入口仓25向出口仓19的流动提供了一个路径。因此，当迫使冷却气体通过沟道14时，套筒以及厚壁金属管起到压电元件6的冷却装置的作用。

为了与一个适宜的常规气体和压力源(未画出)相连，可以在气体入口孔11处连接一个适当的管。这样，在工作中，通过加适当的压力(最好在3至30磅/平方英寸的范围)，冷却气体13通过气体入口孔11被导入入口仓25并从那里通过套筒3的沟道14和厚壁金属管7的沟道28，吸收压电元件6发出的热，进入出口仓19，最后从气体出口8排出。这样，压电元件的内热从传感器的内部沿着受控路线被传送到外面。

优选地，出口8通过管道与一个热交换装置相连，以冷却气体，并使其在一个密闭的循环系统中循环通过传感器。然而，由于这种设置是选择性的，可以用任何本领域普通技术人员熟知的常规装置去实现，进一步的内容超出了本发明的新颖之处，这样的密闭循环系统没有在图1中示出。

在工作中，控制和电源单元提供一个其电压和频率适宜于所用的压电元件6的交流电，例如峰峰值为10000伏，频率为30kHz，从而使它以本领域公知的方式径向振动。

同时，气体和压力源迫使气体13流过套筒3和金属管7对压电元件6进行冷却，从而将其保持在低温有效工作温度。

在第二个实施例中，如图3和4所示，厚壁金属管7上的冷却沟道28被从厚壁金属管上向外突起的冷却凸缘26所替代。该第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在厚壁金属管中引发的热量通过冷却凸缘26而不是沟道28带走。

根据本发明的超声传感器与类似的传统传感器相比，由于采用了对于传感器内至少一个压电元件的冷却系统，电压超声能量转换率更高。该冷却同时也使压电元件能够承受比不加冷却时更高的电压，从而提高了传感器的效率和寿命。本发明的传感器的使用环境的温度可以比传统的传感器更高。

应当指出，各部件以及组装好的传感器的尺寸的选择应当适用。因此，传感器的尺寸应当根据传感器系统有效的共同原则进行设计，并且最好被调整到工作在声学和电子共振以产生尽可能大的输出效率。

还应当指出的是，尽管如图1所示的根据本发明的管式超声传感器的优选实施例仅仅包括一个管式压电元件，但本发明的范围也包含有多个管式压电元件的实施例，各压电元件同心排列，冷却装置位于每个相邻的压电元件之间。包含多个压电元件，且压电元件围绕中心流体管道排列，但是沿轴向依据管式传感器的中心轴设置间距的实施例也在本发明的范围之内。同样落入本发明范围的实施例有，其一组压电元件围绕中心流体管道排列，并且沿径向相距一定距离。

能够用作冷却至少一个压电元件的气体有多种，对其总的要求是该气体应当具有足够的惰性，以免损坏传感器的各个部分。此外，它还应当具有良好的热传导性能。

综上，适宜的气体包括氮气，氢气，二氧化碳，氟里昂12和氨。

但是，用于本发明的冷却系统的最优选气体是六氟化硫.

六氟化硫有绝佳的热容量cp，为前述各气体的2到3倍。

此外，六氟化硫还是绝佳的绝缘介质。六氟化硫的这一特性用于本发明的传感器效果卓著，因为它对于强电磁场强度时在压电元件的尖端处发生的电弧放电现象有削弱的效果。

应当指出，由于本发明有可能采用比类似的常规传感器更高的电压，与常规的传感器相比，不同电极部分之间的间距应当加大以避免电弧放电。六氟化硫气体的采用可以减小或甚至消除对于增加距离的需要。但是为了安全起见，应当安装一套自动电源切断系统，当循环系统内的气体压力足够低时，避免短路或其它电故障。

尽管六氟化硫是本发明适应的最优选气体，应当说明的是，六氟化硫也有一些不良的性质，当设计适用的传感器时应当加以考虑。

已知在非常强的电场中，典型地大于100000伏时，六氟化硫能与许多化合物包括湿气反应，产生气体和离子，最终使高压器件变劣并损坏。因此非常重要的是高压器件在六氟化硫充斥的环境高压电场内应包含非常少或不含变劣化合物，例如酚醛树脂，玻璃，玻璃加强材料或陶瓷。由于高压压电传感器一般工作在20000V的电压下，很清楚六氟化硫能够被用于抑制这类传感器中的电晕放电及类以现象。

此外，六氟化硫有害环境。特别地，它已经被关于气候变化政府间工作委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)的科学家归类为重要的温室效应气体。因此，应当注意不使其泄露到大气中。

因此超声传感器的六氟化硫冷却系统应当最好设计和制作成密闭的系统，在其中被超声传感器加热了的六氟化硫在传感器外被冷却然后再被泵入超声传感器。

尽管已经结合优选实施例对本发明进行了详细的说明，但是在阅读了理解了之后，可以有对实施例的无数种改进落入本发明的权利要求。

Claims (6)

1、一种用于改进超声传感器的输出的方法，用于使用了至少一个压电元件的传感器类型，该压电元件围绕中心流体管道的中心轴排列，该至少一个压电元件上施加的交流电使其沿相对于中心轴的径向振动，从而向中心流体管道发射超声能量，该至少一个压电元件被包封在一个液密性外壳中，其特征在于它包括以下步骤：

在传感器外壳上设置至少一个气体入口和至少一个气体出口；

使气体传导装置与每个压电元件相接触，方式是分别有一个流动通道将气体传导装置与所说的气体入口和所说的气体出口相连通；

选择冷却气体；

迫使冷却气体通过气体传导装置，从而冷却至少一个压电元件。

2、根据权利要求1所说的方法，其特征在于：所说的选择气体步骤包括从下列一组气体中选择气体的步骤：氮气，氢气，二氧化碳，氟里昂12，氨气和六氟化硫。

3、根据权利要求1所说的方法，其特征在于：所说的选择冷却气体的步骤进一步包括为抑制传感器内部的电弧放电而根据其绝缘性能选择冷却气体的步骤。

4、根据权利要求3所说的方法，其特征在于：所说的选择适当绝缘性能的冷却气体的步骤包括选择六氟化硫作为冷却气体的步骤。

5、一种超声传感器，它采用了至少一个围绕一个中心流体管道的压电元件，并设置有用于将交流电引入该元件的相对表面的装置，用以使其响应产生相对于中心流体管道的中心轴的径向尺寸变化，该至少一个压电元件被包封在一个气密性外壳中，其特征在于该器件包括

至少一个位于外壳上用于供给冷却气体的入口管道，和至少一个位于外壳上用于排放所说的冷却气体的出口管道；

与每个压电元件相接触以便使用所说的冷却气体冷却压电元件的气体传导装置，其中所说的气体传导装置上有至少一个沟道，为该气体传导装置提供一个贯通该气体传导装置的气体流动路径，从而保证冷却气体从压电元件上将热量输送到传感器之外。

6、根据权利要求5所说的超声传感器器件，其特征在于，所说的气体传导装置包括一个金属套筒，所说的套筒上有气体传导沟道，并且所说的套筒进一步适合于从所说的套筒的中心孔穿过的流体。

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