[发明专利]具有改善的灵敏度和声辐射的超声波换能器

说明书

本发明涉及一种用于在流体(H₂O)中发射和接收声波的超声波换能器，超声波换能器具有压电声学换能器元件(PZT)和第一声学匹配层(PEI，92)。压电声学换能器元件(PZT)被设计并设置成以其共振频率中的第一共振频率(fr)操作。声波光学功能元件(200)被放置在声学换能器元件(PZT)和流体(H₂O)之间。声波光学功能元件(200)由壳体的材料(31)制成。

技术领域

本发明涉及一种用于在流体中发射和接收声波的超声波换能器。

背景技术

超声测量基于声速。因为在声音产生和声音接收之间存在可测量的时间间隔，所以声音可以用作测量手段。这种时间跨度和出现的与时间相关的衰减可以转换成可用信息。超声波发射器产生声音频率高于20kHz的声音信号，并且超声波接收器接收返回的回波信号并将其转换成相应的接收信号。然后，信号处理器以这些接收信号的时间进程的形式来解释返回的回波的时间进程。

作为在空间上分离的空分复用的超声波发射器和超声波接收器的替换，优选使用组合的声学换能器，组合的声学换能器以时分复用的方式在不同的时间段中作为超声波发射器工作且在其它时间段作为超声波接收器工作。因此，如果在本文中提到声学换能器，则总是包括超声发射器和超声接收器的组合。当前，声学换能器产生这种声音信号并检测返回回波。返回回波由声学换能器接收并转换成与信息相关的电信号(即，接收信号)，该电信号允许例如通过分析电路和/或信号处理器智能地处理回波图谱。

超声液位测量中的典型声学换能器系统需要一些组件。一种组件是用于产生超声波信号并接收回波的声学波换能器，另一种组件是用于根据电接收信号确定数据并得出测量结果的接收电路或信号处理器。虽然超声设备将这些组件组合在一个单元中，但个体功能仍保持不同。测量输出通常与可编程控制器通信，以进行过程控制。

在典型的工作原理中，作为声学换能器内的压电声学换能器元件(PZT)的压电晶体将电信号的电气特性(通常是信号电压)转换成声能，当机械波传输到测量介质中时，声波在测量介质中传播，并然后反射回声学换能器。

然后，声学换能器用作接收设备，并将作为回波返回的声能转换回接收信号。电子信号处理器或其它合适的接收电路分析声学换能器的接收信号中包含的返回回波，并计算声学换能器和引起回波的目标之间的距离。

声音脉冲的触发和返回回波的接收之间的时间间隔正比于声学换能器和测量空间中(例如，被确定物位的容器中)引起回波的声学阻抗不均匀性物体之间的距离。这个基本原理是超声测量技术的核心，并且以如下方程示出：

距离＝[(声速)×(飞行时间)]/2。

发明内容

本发明的目的在于披露一种能够检测汽车环境中的液位、流量和油质的超声波换能器。该目的在于为流量计和液位传感器市场提供低成本的换能器。

本发明公开了一种超声波换能器，超声波换能器能够作为压电声学换能器元件PZT以低价格出售并且对压电振荡器具有低质量要求，使得直接脉冲检测运行时间成为可能。因此该超声波换能器是高性能的超声波换能器。

所公开的高性能超声波换能器能够使用飞行时间测量技术来检测液位、流速并识别油混合物或油质。例如，适用的评估电路是集成的ELMOS E703.15和E703.25电路。

在汽车、工业和医疗应用中，它们具有皮秒级的飞行时间分辨率和巨大的潜力。然而，对于这些应用来说，目前市场上的超声波换能器质量差或者太过昂贵。因此，本发明提出了一种新型的超声波换能器，以便允许低成本地批量生产频率为2MHz的超声波换能器。

技术问题

本发明旨在提供一种用于流量计和/或液位传感器的低成本超声波换能器的设计。

技术方案