今天為大家介紹一項國家發明授權專利——一種換能器及熱量表。該專利由杭州三花研究院有限公司申請，并于2017年7月11日獲得授權公告。

內容說明

本發明涉及熱交換領域，更具體的說，涉及一種換能器及熱量表。

發明背景

超聲波熱量表是利用超聲波換能器發射與接收超聲波，通過測量超聲波在順、逆流的時間差計算流速的。超聲波換能器是超聲波熱量表的一級傳感器，超聲波換能器的好壞直接決定了超聲波熱量表的質量。

一般情況下，超聲波換能器是采用壓電陶瓷片的壓電效應和逆壓電效應將電信號轉換為超聲波信號，經過管段中流動的水后，再將超聲波信號轉換為電信號。壓電陶瓷片的工作環境是高溫、高壓、浸泡在水中，不經過封裝的壓電陶瓷裸片，無法在這樣的工作環境中正常工作。現有技術中，都是將壓電陶瓷片封裝上外殼。

超聲波換能器的性能參數，如諧振頻率，機電耦合系數，機械品質因數、阻抗特性、指向性等，都與壓電陶瓷片/的封裝工藝有關。不同的封裝會導致這些電性能參數不同程度的偏移，進而影響發射與接收效率。另外，壓電陶瓷片的封裝外殼要保證壓電陶瓷片工作在高溫、高壓、浸泡在水中等惡劣的工作環境中正常使用，不會損壞。因此，壓電陶瓷片的封裝工藝對超聲波熱量表的測量精度和正常使用至關重要。

換能器一般采用圓柱形的薄片壓電陶瓷片，正反兩面分別是正、負電極。現有的壓電陶瓷片封裝方式是用導電膠將壓電陶瓷片與薄膜外殼粘合。現有的換能器技術存在的缺點：壓電陶瓷片因長期浸泡在水中或在濕度較大的環境中工作，且容易受外界環境的高溫、高壓以及靜電的影響，信號準確率低且壽命較短。

發明內容

本發明的目的之一在于：為解決上述現有技術所述的缺陷提供一種換能器；本發明的目的之二在于：解決上述現有技術所述的缺陷提供一種換能器的封裝工藝；本發明的目的之三在于：為解決上述現有技術所述的缺陷提供一種超聲波熱量表。

本發明為解決上述現有技術的缺陷，提供了一種換能器，包括壓電陶瓷片和封裝所述壓電陶瓷片的外殼和底座，所述外殼為一端開口的殼體，所述殼體內側底部涂有粘膠，所述壓電陶瓷片與所述外殼之間通過所述粘膠連接，所述外殼的底部為向下凹陷的弧面底部使得所述粘膠中間的厚度大于邊緣的厚度。

優選地，所述外殼為金屬制品部件，所述外殼中聲音傳播的速度為V，用戶選定的超聲波頻率為f，所述外殼的厚度為H，則H≤V/2f。壓電陶瓷片所采用的封裝外殼的厚度越大，超聲波在傳遞過程中的能量損失越大。而外殼的厚度不可能做的無限小，當外殼的厚度小于或等于超聲波的半波長的長度時，超聲波在傳遞過程中受外殼厚度的影響最小，信號的準確率比較高。所述外殼為不銹鋼材質部件，所述壓電陶瓷片與外殼的底部在外端的距離h≥0 .1mm。

本發明的換能器的壓電陶瓷片與外殼的底部在外端的距離h≥0 .1mm，使得超聲波在外殼中傳遞的過程中能量損失進一步降低，且外界對換能器的壓力在外殼和粘膠的彈性形變中被抵消掉，極大地降低了壓電陶瓷片在外界壓力的作用下被壓碎的概率。

優選地，所述粘膠為硅膠，壓電陶瓷片與外殼的底部之間在中間部位容納粘膠的距離大于壓電陶瓷片與外殼的底部在外端的距離h。

本發明的換能器將現有技術的導電膠換成彈性好、流動性好、導熱性能不好的硅膠，降低了外界高溫和靜電對壓電陶瓷片的影響。流動性好的硅膠在滴入外殼中時會自動流入凹面內，避免了粘膠分布不均，且流動性好的硅膠還能極大地降低粘膠中的氣泡含量。從而避免了超聲波在傳遞過程中因粘膠分布不均或粘膠中的氣泡而使得超聲波信號失真。優選地，所述壓電陶瓷片上焊接有正、負極引線，所述壓電陶瓷片封裝在所述底座中，所述壓電陶瓷片的正、負極引線從所述底座的底部引出，所述底座的底部填充有灌封膠將所述引線固定住并將所述壓電陶瓷片密封封裝。

本發明的換能器中采用灌封膠將壓電陶瓷片完全密封封裝在底座中使得換能器能適應各種高溫高壓潮濕的惡劣工況所述底座內部設置有向內延伸的凸緣，所述凸緣上方為填充灌封膠的第二空腔，所述凸緣下方為第一空腔，所述凸緣上還設置有供正負極引線通過的通孔部，所述壓電陶瓷片安裝在第一空腔中并與凸緣保持一定距離以便在所述壓電陶瓷片和灌封膠之間留有空腔。

本發明的換能器中壓電陶瓷片和灌封膠之間還留有空腔，這個空腔是用于阻止超聲波繼續沿相同方向傳播。

本發明的換能器封裝工藝使得換能器的壓電陶瓷片得以密封封裝；不受外界高壓、高溫和靜電的影響；且超聲波在換能器中傳播的能量損失小，能最大化的保證超聲波信號的準確接收。使得換能器可以在惡劣工況中長時間正常工作。

本發明為解決上述現有技術的缺陷，還提供了一種超聲波熱量表，包括密封連接的基表和管段，實際使用的時候管段的進口端和出口端與供熱系統的管道連接，所述基表內設有密封安裝的控制模塊，所述管段設有兩個外接端口，所述端口內分別設有密封安裝且與控制模塊電連接的換能器，所述換能器為上述任一項所述的換能器；所述基表的外殼包括密封連接的上蓋和下蓋，上蓋和下蓋的安裝接觸面設有處于壓縮狀態的第一密封圈；所述控制模塊包括一塊PCB板，所述PCB板焊接有電子元器件的表面覆蓋有灌封膠以保護PCB板的印刷電路和電子元器件的引腳；所述換能器與端口的安裝接觸面上分別設有第二密封圈；所述端口通過封蓋密封封裝，封蓋內灌注有將換能器密封封裝的灌封膠；換能器與端口的側壁為間隙配合，換能器與端口側壁的間隙之間填充有灌封膠。

在超聲波熱量表中使用本發明的換能器，可以使得本發明的超聲波熱量表也具有上述換能器的相關有益效果，且本發明的超聲波熱量表通過多重密封的封裝工藝和封裝結構使得換能器能不受外界環境因素的干擾，在超聲波熱量表中更好的實現相關工作特性。

本發明的換能器在實際使用過程中，具有以下有益效果：本發明的換能器通過采用有弧面的外殼封裝壓電陶瓷片，一方面外殼的弧面結構減小了超聲波在穿過外殼的過程中的能量損失；另一方面垂直于壓電陶瓷片的壓力到達外殼的弧面后分解為延半徑方向和垂直于半徑方向的兩個力，消掉部分壓力，減弱了外部對換能器的垂直方向的壓力。且外殼和壓電陶瓷片的圓心附近兩者之間的粘膠厚度因弧面的設置而增大，對外界的壓力起到了極大的緩沖作用。避免壓電陶瓷因外界壓力過大而損壞。