[實用新型]一種高頻率高靈敏度超聲波傳感器

無效

• 申請號: 201020673124.3
• 申請日: 2010-12-22
• 公開（公告）號: CN201974521U
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 鄒東平
• 申請（專利權）人: 漢得利（常州）電子有限公司
• 主分類號: G01S7/521
• 分類號: G01S7/521;G01S15/08
• 代理公司: 常州市維益專利事務所 32211
• 代理人: 何學成

技術領域

本實用新型涉及一種用于機器人感應、接近開關、工業高精自動化、液位測量、人體身高測試、料斗裝料測試、煙霧探測器等領域的高頻率高靈敏度超聲波傳感器。

背景技術

壓電陶瓷超聲波測距都是通過給傳感器脈沖驅動電壓，使傳感器發出超聲波，當遇到障礙物時，反射波作用于傳感器，通過計算傳感器發射與接收的時間差與傳播速度之積，從而計算出距離。

隨著科技的進步，超聲波傳感器行業的發展突飛猛進，傳統的100KHz以內的超聲波傳感器，主要有40KHz，48KHz，58KHz等頻率較低傳感器，其測試精度低于3mm，分辨率低，不能滿足高精度要求；壓電陶瓷超聲波傳感器的分辨率、測試精度與頻率具有直接的關系，其工作頻率越高，測試精度越高；其高于100KHz的高頻率傳感器在高精度工業自動化測距、煙霧濃度探測器、液位儀等，其應用領域越來越廣泛，傳統的高頻率超聲波傳感器將壓電陶瓷片直接與匹配層粘接，再將整個連接體裝入帶有一內空腔體的殼中，這種傳感器存在兩個問題：1、由于缺乏共振耦合的介質存在，其產品靈敏度低、發射聲壓低；

2、由于缺乏介質匹配耦合與共振的設計，為獲得較高的靈敏度，只有提高壓電陶瓷片的驅動電壓，而長期在接近于極限值條件下工作，壓電陶瓷片會出現裂紋損傷與產品壽命的縮短。

發明內容

針對上述技術問題，本實用新型的目的提供一種高頻率高靈敏度超聲波傳感器，其增加了一個金屬環，并在壓電陶瓷片與金屬環之間形成諧振腔，從而增加發射波的強度，并且使壓電陶瓷片獲得更高的機械能量，提高產品的靈敏度。

實現本實用新型的技術方案如下：

一種高頻率高靈敏度超聲波傳感器，包括一端開口一端封閉的中空型塑料殼體、設置在中空型塑料殼體內的壓電陶瓷片及與壓電陶瓷片下端面相連接的匹配層、以及填充在中空型塑料殼體內部的屏蔽材料，所述匹配層上端面設有圍繞在壓電陶瓷片周圍的金屬環，金屬環與壓電陶瓷片之間距離形成一個諧振腔，所述壓電陶瓷片的負極與金屬環電連接，外部連接端子的正極與壓電陶瓷片的正極電連接，外部連接端子的負極與金屬環電連接。

所述金屬環的上端面與塑料殼體內壁緊密配合、下端面與匹配層的上端面緊密配合，壓電陶瓷片位于金屬環內，壓電陶瓷片的外周面與金屬環的內周面之間形成所述的諧振腔。

所述諧振腔為環形的諧振腔。

所述金屬環的尺寸設計，可根據環形頻率公式：

F＝K×(h/l²)×V

F：環形材料的頻率?單位：Hz

K：系數

h：材料厚度???????單位：m

l：環形中心圓半徑?單位：m

V：聲速???????????單位：m/s

來得出金屬環的環形中心圓半徑，從而確定金屬環的外徑尺寸；由于金屬環與壓電陶瓷片之間介質為空氣，因此金屬環與壓電陶瓷片之間的諧振腔與壓電陶瓷片的振動頻率相同；再根據壓電陶瓷能量傳輸耦合、諧振最佳λ/4原理，即壓電陶瓷片發射出的聲波在空氣中傳播，若發射波與反射物距離為λ/4，其反射波與發射波相位差λ/2，其波形疊加后波形幅度為零，因而壓電陶瓷片發射出的波完全發射出去，能量損耗降至最低，從而設計出壓電陶瓷片與金屬環之間諧振腔的尺寸，確定金屬環的內徑并最終得出整個金屬環的最佳尺寸。

當傳感器向外發射超聲波時，壓電陶瓷片不但直接通過匹配層向空氣中發出超聲波，而且壓電陶瓷片與金屬環之間的諧振腔所產生的共振頻率，也推動匹配層向外發出超聲波，從而使發射的總體能量比單純壓電陶瓷片的高，發射強度增強，發射聲壓得以提高；當發出的超聲波遇到障礙物時，便會產生一個反射波，反射波機械壓力式的作用于匹配層，通過匹配層將機械力傳送到壓電陶瓷片，并由于壓電陶瓷片的正逆壓電效應，壓電陶瓷片對機械能進行電能的轉換，使機械力信號轉換為電信號，同時匹配層所接收到的超聲波，也作用于金屬環，其超聲波的頻率與金屬環的固有頻率一致且發生諧振，再通過諧振腔傳輸給壓電陶瓷片，由于反射波通過匹配層直接作用于壓電陶瓷片的波與通過匹配層作用于金屬環產生的共振波并經過諧振腔空氣介質耦合后進行疊加，使整體作用于壓電陶瓷片的機械波幅度更強，壓電陶瓷片所受到機械力更大，壓電陶瓷所產生的電信號更強，從而有效的提高傳感器的靈敏度。同樣在為了獲得相同的聲壓時，增加了金屬環的高頻超聲波傳感器比傳統單純壓的壓電陶瓷片傳感器所給予的驅動電壓更低，從而不會出現傳感器為了獲得較高聲壓與靈敏度，而長期工作在極限高電壓狀態下導致壓電陶瓷片產生裂變、使用壽命縮短的問題。因而本實用新型具有驅動電壓小、靈敏度高、使用壽命長的優點。

附圖說明