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本质安全型复合宽带超声流量换能器
    本发明是一种用于本安型计测管道流量超声换能器，属液体流量、流速无损检测装置技术领域。

    现有技术中的超声流量换能器：

    本安型超声液体流量计换能器的必要充分条件为：①发射激励电压为小信号，如仅14伏脉冲电压；②超声波透过液流管道壁后接收脉冲波形余响波不得超过2-3个周期；③且余响波的第二周期波峰比第一周期波峰差值应大于12dB(通常的超声换器该幅度差均小于6dB)。

    国内现有同类超声流量换能器其声压的发射和接收灵敏度较低，压电片声阻抗较高，管壁声阻尼大，通频带宽度窄。尤其是单位电压激励声压值很低，外夹持的换能器波形特性差。故无法实现本质安全型条件的超声流量计测。

    国外九十年代末典型的德国Krohnet(科龙)和日本富士超声流量换能器，前者为插入管道式，后者为管道外夹持式。换能器压电灵敏度与我国的相当。它们的通带Q值比我国的低，约3.5(我国Q=4)。它们的余响波的前后两个周期波幅差为6dB。所以，它们仍然需要通过上百伏的脉冲电压激励换能器，一方面使超声波得以透过很高的管壁阻尼，另一方面又必须使余响的第一周期波幅前沿足够陡期，以保证取时延值时足够稳定。为此，科龙、富士等均为非本安型液流超声换能器，德国科龙只得采取体积笨重而结构复杂的管道密封方式，形成隔爆型超声流量计。

    本发明地目的在于针对现有国内外技术不足，发明一种高灵敏、余响波特性好及宽频带的本质安全型复合宽带超声流量换能器。

    本发明的本质安全型复合宽带超声流量换能器由波导、尼龙套环、铝环、橡皮套环、金属屏蔽外壳等所组成，该换能器的金属屏蔽外壳内壁与波导之间由尼龙套环、铝环、橡皮套环相连接，尼龙套环的外壁与金属屏蔽外壳的内壁相连接，铝环位于尼龙套环的内侧，橡皮套环的内侧卡在波导的外槽中，橡皮套环的外侧卡在铝环的内槽中，在金属屏蔽外壳内的波导端部设有一复合压电堆，在复合压电堆的正、负两极分别与由四只二极管组成的桥式整流电路相接。铝环的外侧和尼龙环套的内侧为螺纹结构，二者相互吻合。在波导端部的复合压电堆的外端还设有吸声背衬。

    本发明的优点是：第一，多层环及橡皮套环结构，悬空了声波导，起到了固定及声去耦双重作用，构成减振器。大大提高了声、电换能效率；第二，复合连结压电晶片，胶合在波导一端，它采用夹心“3-3”连结复合或“1-3”连结复合，用PZT(钛酸锆铅)压电陶瓷与环氧复合，实现厚向单一振动模式。压电系数d33高于PZT实心晶片，不低于450PC/N，径向耦合系数Kp小于0.15，横向振动极小。该复合压电晶堆的声阻抗与棒波导(聚砜)十分接近匹配，使整个声系统具有一维振动，波形极其简单，收、发效率和灵敏度极高；第三，换能器工作频率为500kHz，带宽250kHz(-3dB)，通带特性Q为2。比国内外常用工作频率1MHz低一倍，有利于减少管壁等的声阻尼；第四，绝缘波导结构为耐150℃高温、耐腐蚀的高声阻抗弹性材料，形状满足：长度/直径比大于2，保证波导高效、单向声传输。第五，晶堆极性合理配置，获得余响波形特性好，使超声波非限幅条件下仍能稳定流量计测。

    本发明的换能器加吸声背衬有利于降低通带Q值，使频带变宽。换能器脉冲余响靠环氧钨粉的配比来调节。同时设有桥式连结的四只二极管，并联到压电堆两极间，构成本质安全型要求的电击穿保护电路。电极引线采用悬浮、平衡式连结，换能器外壳与仪表共同接地，这种结构输入端噪声最低。单位电压激励灵敏度比传统换能器高出4～5倍。本发明具有灵敏度高、噪声低、频带宽、余响短及波形前沿徙等优点，在脉冲电压“环鸣”驱动工作时，声学性能极稳定，漂移量极小(8次“环鸣”时，“正向”与“逆向”声程差，在静态校正时，仅漂0.01～0.02μs。它特别可用于精确计测小口径(Φ15mm至Φ80mm)及慢流量小于0.1m/s的各种管道流量。同时可替代国内外已有各种常规超声流量换能器的功能。

    图1是本发明的结构示意图。其中包括波导1、尼龙环套2、铝环3、橡皮套环4、金属屏蔽外壳5、复合压电堆6、正电极引线7、负电极引线8、后盖套9、双芯屏电缆10、整流桥11、吸声背衬12。

    本发明的实施方案如下：

    按照附图1所示的结构，波导1采用直径Φ20mm，长度40mm的聚砜绝缘材料制成棒形的波导；复合压电堆6为夹心3-3连结复合材料，压电系数d33达450PC/M，Kp小于0.15，晶片尺寸：厚1.5mm，直径Φ17.8mm；所谓复合压电晶堆，是指压电晶体与填充的高分子聚合物两种相界彼此连结互通方式。例如3-3连结，就是两相随机分布连结，烧结、注塑成复合体；1-3连结，就是压电相制成诸多平行细条状，其余用聚合物填充成复合体。橡皮套环4采用预制减阻尼橡皮环，该橡皮套环借铝环3固定；铝环借螺纹结构固定在尼龙环套2上，尼龙环套紧固在不锈钢制成的金属屏蔽外壳5内侧；复合压电堆用环氧胶在波导端部，波导的另一端加工成45°斜面，用于与被测件耦合。吸声背衬12按环氧/钨粉为3/2(体积比)的材料混合而成，声阻抗为8×10Pa·S/m。整流桥11由四只稳压二极管组成，其耐压应大于20V。在总体结构上金属屏蔽外壳的端部设有后盖套9，在后盖套的中心设有中心孔，双芯屏蔽电缆10从该换能器的内部由后盖套的中心孔引出。在金属屏蔽外壳的另一端内侧固定有尼龙环套2，尼龙环套的内侧与铝环3由螺纹吻合，在铝环的内侧设有一道凹槽，在波导的外侧也设有一凹槽，橡皮套环4的外侧卡在铝环3的凹槽内，橡皮套环的内侧卡在波导1的凹槽内。根据以上所述便可实现本发明。