微型超声波传感器 【技术领域】
本发明涉及的是一种超声波传感技术，具体地说，涉及的是一种微型超声波传感器。
背景技术
众所周知，在非接触式检测物体厚度的技术领域中，超声波测厚具有独特的技术优势，这是微波和射线等非接触式测厚技术所无法比拟的，因为超声信号对周围环境不会产生污染，而且控制超声波发射功率在安全范围时，超声波对人体不会产生任何危害。随着社会进步和科技发展，超声波技术的应用范围越来越广泛，然而，现有的超声波传感器体积较大，却无法适应小型精密仪器中的特殊需求，因此就需要发明一种具有体积小、工作功率达到检测要求的、能够适合安装于小型仪器内部有限空间的微型超声波传感器。特别是要发明一款能够满足纸币清分机在检测纸币厚度技术需要的微型超声波传感器，这是因为纸币清分机需要配置的传感器的种类与数量繁多，安装空间极为有限，还要考虑传感器相互之间信号互不干扰的缘故。
经对现有技术文献的检索发现，申请号为200920135475.6的中国实用新型专利，专利名称为：一种压电超声波发射器，该专利提供一种压电超声波发射器，属于能够发出超声波，可用于驱赶蚊虫、老鼠的一种装置。该实用新型包括振动系统、耦合端头、超声波产生系统、泡棉、壳体和电缆柱，振动系统经耦合端头和超声波产生系统连接在一起，振动系统和壳体装配在一起，超声波产生系统和泡棉装配在壳体内，泡棉设计在超声波产生系统和壳体之间，电缆柱设计在壳体上；振动系统可以是一锥形纸盆；超声波产生系统由圆形陶瓷双压电片和金属基板粘接而成，从圆形陶瓷双压电片和金属基板引出正负极导线连接电缆柱。该专利技术的不足之处在于：第一、由“超声波产生系统”通过“耦合端头”带动“振动系统”来产生超声波发出，机械机构过于繁琐，工作可靠性较差；第二、“振动系统”实际上是一“锥形纸盆”，除了体积无法小型化外，波形参数(包括振幅和频率)也极不稳定；第三、该专利中的“振动系统”实质上就是通常压电喇叭的变形，因此根本不能作为超声波检测技术领域中的超声波信号源。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种微型超声波传感器，使其能够安装于多类小型精密仪器用于非接触式测厚、探伤、微循环流体测速等技术用途。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电晶片、电极导线、超声波反射圆锥面、叉式支架、壳体、电极引脚。所述压电晶片又称薄膜压电陶瓷，斜置于超声波反射圆锥面中间，压电晶片的底边两角点固定在超声波反射圆锥面上，压电晶片的顶边两角点固定在叉式支架的两点；叉式支架四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面的锥面上；超声波反射圆锥面的底部“锥尖”与壳体的底部固定连接，超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周与壳体的顶部固定连接；两根电极引脚穿过壳体底部固定，处于壳体内部的两个端头穿透超声波反射圆锥面锥面裸露其金属表面与电极导线焊接；两根电极引脚外露壳体底部的两个端点必须保留一定长度以便与外部超声频率电信号发生电路或接收信号放大电路连接，即起着输入/输出信号接口插头的作用；电极导线共两根，一头分别与压电晶片的两面焊点焊接，另一头分别与电极引脚穿透超声波反射圆锥面的两个端点焊接。
所述压电晶片，是一种具有压电效应的晶体，通过切割工艺将其制作成片状体，故称之为压电晶片。压电晶片的压电效应分正压电效应和负压电效应两种。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在其两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应是指：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应，在压电晶片的两个表面被通以电压信号的情况下，会产生机械形变效应，具体地说，当该压电晶片的两面被分别处于正、负两种电位下，处于正电位作用下的表面会被拉伸，处于负电位作用下的表面会被压缩；当正、负两种电位轮番作用于压电晶片的两个表面时，该压电晶片的两个表面就会轮番发生拉伸与压缩效应，因此引起了压电晶片沿着其表面法线方向上的连续振动；压电晶片的连续振动带动了周围空气的振动，形成一种振动波向周边传播。当加在压电晶片两个表面的电信号为交变信号时，只要该交变信号地频率与压电晶片的固有振动频率一致或接近时，就会使得压电晶片发生共振现象，此时压电晶片向外发射声波信号的功率达到最大值。一般压电晶片的厚度被控制在0.2mm以下，只要在制作工艺上控制好压电晶片的长、宽、厚的尺寸大小，就能随意制造出人们所需要的压电晶片固有振动频率特性，比如40kHz。
所述超声波反射圆锥面，用于改变超声波发射方向，同时具有聚能效应。因为压电晶片斜置于超声波反射圆锥面中间，当压电晶片在交变电压信号的作用下而产生振动效应时，所形成的超声波的原始发射方向是经过超声波反射圆锥面反射后向外界空间传播，适当设计压电晶片的斜置角度就能确保经超声波反射圆锥面发射后的超声波束始终沿着与其中轴线平行的方向向外传播。为了达到向外发射的超声波束与圆锥面中轴线平行，必须确保压电晶片的斜置角度与超声波反射圆锥面顶角的二分之一互余，即确保压电晶片的斜置角度与超声波反射圆锥面顶角的二分之一相加为90°。所述压电晶片的斜置角度，就是压电晶片平面与超声波反射圆锥面的相交锐角，所谓相交锐角即锥线与中轴线所在平面与压电晶片平面和超声波反射圆锥面分别相交后的两根直线所构成的锐角，该锐角角度的大小就被称为压电晶片的斜置角度。
所述压电晶片的斜置角度，因其与超声波反射圆锥面顶角的二分之一存在互余关系，当本发明作为微型超声波发射器使用时，显现两种能量效应：第一，压电晶片正面产生的振动波经超声波反射圆锥面一次反射后，就使正面发射超声波能量得到聚合而形成传播方向与中轴线平行的纵向波；第二，压电晶片背面产生的振动波经超声波反射圆锥面多次反射后，就使背面发射超声波能量逐渐被圆锥面表面所吸收，并在到达“喇叭口”时已消耗殆尽；综合上述两种能量效应作用下，最终使得本发明作为微型超声波发射器在加强压电晶片正面振动波聚合作用的同时，还确保了原始振动波中相位相差180°的压电晶片正、背面振动波不产生干涉与消能效应，因此达到超声波能量增强的效果。根据同样机理，当本发明被作为微型超声波接收器使用时，能够获得同样的超声波增强接收效果。将上述发射或接收过程产生的能量聚合作用称为超声波聚能效应。
所述叉式支架，在超声波反射圆锥面中安置时，四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面的锥面上，由于安装位置的特殊要求使得其在超声波反射圆锥面中相对于压电晶片呈现交叉形态，故称之为叉式支架。这种交叉形态能够使超声波向外发射或向内入射过程的能量损耗达到最小。
本发明所述微型超声波传感器，既可作为超声波发射器使用，也可作为超声波接收器使用；作为发射器使用时，称之为微型超声波发射器；作为接收器使用时，称之为微型超声波接收器。作为超声波发射器使用时，有两种接收方式：第一种方式，向外发射超声波信号被遮挡物反射到超声波发射器，此时，微型超声波传感器兼具发射和接收超声波信号的功能；第二种方式，采用两个微型超声波传感器单体配对使用，即一个作为超声波发射器向外发射超声波，另一个作为超声波接收器接收来自超声波发射器所发出的超声波，当然，此时在安装工艺上是采取“一对一”相向安装，即两个单体微型超声波传感器分别处于被测物体的两侧表面，由一个微型超声波传感器单体向被测物体的正面发射超声波，而由另一个微型超声波传感器从被测物体的背面接收穿透该物体的超声波信号，此时，每个微型超声波传感器单体采具有单一的功能，即具有发射超声波或者接收超声波信号的单一功能。
当本发明的微型超声波传感器作为超声波发射器使用时，电极引脚与来自外部的交变电气信号连接并接收交变电气信号输入，交变电气信号通过电极引脚和电极导线就将交变电气信号的电压加在压电晶片的正、背面两个焊点上；压电晶片在交变电压的压电效应作用下，沿其平面的法线方向产生上下机械振动，进而带动周围的空气形成振动波向外传播；当外部输入的交变电气信号的频率与压电晶片的固有振动频率一致时，压电晶片便产生共振形成一种振幅最大，亦即输出功率最大的振动波向外传播；如：微型超声波传感器的固有振动频率为40kHz，外部输入的交变电气信号的频率也为40kHz时，压电晶片便产生共振，因此形成一种振幅最大的振动波向外传播；压电晶片的振动波经过超声波反射圆锥面的聚能效应便形成一束具有足够功率的超声波束向外辐射。
当本发明的微型超声波传感器作为超声波接收器使用时，被接收的超声波从空间射入到超声波反射圆锥面，经过反射聚能效应的作用抵达压电晶片的正面，被反射到压电晶片背面的超声波能量因压电晶片斜置角度的关系在压电晶片背面的超声波反射圆锥面上多次反射，被极大限度地衰耗掉，因此不会对抵达正面的超声波产生能量抵消作用；当接收到的超声波频率与压电晶片的固有振动频率一致时，压电晶片同样会发生共振现象，即由压电效应所生成的感应电压达到最大值；生成的感应电压信号通过电极导线和电极引脚与外部的交流放大电路的输入接口相连接输出电压信号；超声波接收器输出电压信号的大小就对应着被接收到的超声波信号的强弱信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：第一、能够将超声波传感器制作得非常小，小到其横截面最大直径仅为6mm；第二、能够利用圆锥面的反射聚能作用将原始发散的超声波能量转换成能量集中的超声波束沿着超声波发射器的中轴线平行方向发射；第三、能够利用圆锥面的反射作用将接收到的超声波束转换成对压电晶片表面均匀分布的超声波能量场，同时对超声波接收方向性也得到了增强。
【附图说明】
图1为本发明总体结构示意图，其中，(a)为正视剖面图，(b)左视剖面图，(c)为俯视图，(d)为仰视图；
图2为本发明中压电晶片斜置角度与超声波反射圆锥面几何关系示意图；
图3为本发明超声波发射方向示意图；
图4为本发明超声波接收方向示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：压电晶片1、电极导线2、超声波反射圆锥面3、叉式支架4、壳体5、电极引脚6。压电晶片1斜置于超声波反射圆锥面3中间，压电晶片1的底边两角点固定在超声波反射圆锥面3上，压电晶片1的顶边两角点固定在叉式支架4的两点；叉式支架4四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面3顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面3的锥面上；超声波反射圆锥面3的底部“锥尖”与壳体5的底部固定连接，超声波反射圆锥面3顶部“喇叭口”的圆周与壳体5的顶部固定连接；两根电极引脚6穿过壳体5底部固定，处于壳体5内部的两个端头穿透超声波反射圆锥面3锥面裸露其金属表面与电极导线2焊接；两根电极引脚6外露壳体5底部的两个端点必须保留一定长度以便与超声频率电信号连接或接插，即起着输入/输出信号接口插头的作用；电极导线2共两根，一头分别与压电晶片1的两面焊点焊接，另一头分别与电极引脚6穿透超声波反射圆锥面3的两个端点焊接。
实施例：
所述压电晶片1，采用长×宽×厚为6mm×3mm×0.2mm的薄膜压电陶瓷，且压电晶片的固有振动频率为40kHz。
所述超声波反射圆锥面3，如图2所示，喇叭口圆周直径为6mm，圆锥面顶角∠7＝30°；压电晶片1斜置于超声波反射圆锥面3中间，为了达到向外发射的超声波束与圆锥面中轴线平行，取压电晶片1的斜置角度与超声波反射圆锥面3顶角的二分之一互余，即∠10＝75°，这就表明压电晶片1生成的原始超声波向超声波反射圆锥面3辐射时的入射角、反射角同为75°，因此∠8＝∠9＝15°确保了超声波经聚能效应后向外辐射的超声波束与超声波反射圆锥面3的中轴线平行。
如图3所示，所述压电晶片1的斜置角度，因其与超声波反射圆锥面3顶角的二分之一存在互余关系，当本发明作为微型超声波发射器使用时，显现两种能量效应：第一，压电晶片1正面产生的振动波经超声波反射圆锥面3一次反射后，就使正面发射超声波能量得到聚合而形成传播方向与中轴线平行的纵向波；第二，压电晶片1背面产生的振动波经超声波反射圆锥面3多次反射后，就使背面发射超声波能量逐渐被圆锥面表面所吸收，并在到达“喇叭口”时已消耗殆尽；在上述两种能量效应作用下，最终使得本发明作为微型超声波发射器在加强压电晶片1正面振动波聚合作用的同时，还确保了原始振动波中相位相差180°的压电晶片1正、背面振动波不产生干涉与消能效应，因此达到超声波能量增强的效果。
如图4所示，当本发明被作为微型超声波接收器使用时，同样显现两种能量效应：第一，被接收到的超声波要么直接辐射到压电晶片1正面，要么经超声波反射圆锥面3一次反射后抵达压电晶片1正面，使压电晶片1正面获得被聚集的超声波信号，其功率明显增强；第二，即使有部分超声波由压电晶片1背面缝隙辐射到超声波反射圆锥面3上，由于该超声波在入射角75°的作用下，需要至少二次反射才能抵达薄膜压电陶瓷1背面，因此抵达压电晶片1背面的超声波能量已经被显著衰弱；在上述两种能量效应作用下，最终使得本发明作为微型超声波接收器能够在压电晶片1正面接收到具有足够功率强度的超声波信号的同时，还避免了来自压电晶片1背面的、与压电晶片1正面超声波具有相反相位超声波的消能效应发生，因此同样达到被接收到的超声波能量增强效果。
所述叉式支架，在超声波反射圆锥面3中安置时，四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面3顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面3的锥面上，由于安装位置的特殊要求使得其在超声波反射圆锥面3中相对于压电晶片1呈现交叉形态，而且叉口为经过超声波反射圆锥面3反射或入射后形成的与超声波反射圆锥面3中轴面平行的超声波提供了一种敞开的辐射空间，因此这种交叉形态能够使超声波向外发射或者向内入射过程的能量损耗达到最小。
当本发明的微型超声波传感器作为超声波发射器使用时，电极引脚6与来自外部的交变电气信号连接并接收交变电气信号输入，交变电气信号通过电极引脚6和电极导线2就将交变电气信号的电压加在压电晶片1的正、背面两个焊点上；压电晶片1在交变电压的压电效应作用下，沿其平面的法线方向产生上下机械振动，进而带动周围的空气形成振动波向外传播；当外部输入的交变电气信号的频率与压电晶片1的固有振动频率一致时，压电晶片1便产生共振形成一种振幅最大，亦即输出功率最大的振动波向外传播，当压电晶片1的固有振动频率为40kHz，外部输入的交变电气信号频率也为40kHz时，便形成一种振幅最大的频率为40kHz的超声波向外发射；超声波再经过超声波反射圆锥面3的聚能效应便形成一束具有足够功率的超声波束向外辐射。
当本发明的微型超声波传感器作为超声波接收器使用时，被接收的超声波从空间射入到超声波反射圆锥面3，经过反射聚能效应的作用抵达压电晶片1的正面，被反射到压电晶片1背面的超声波能量被极大限度地衰耗掉，因此不会对抵达正面的超声波产生能量抵消作用；当接收到得超声波频率与压电晶片1的固有振动频率40kHz一致时，压电晶片1同样会发生共振现象，即由压电效应所生成的感应电压达到最大值；生成的感应电压信号通过电极导线2和电极引脚3与外部的交流放大电路的输入接口相连接输出电压信号；超声波接收器输出电压信号的大小就对应着被接收到的超声波信号的强弱信息。
由以上实施例可以看出，本发明具有如下有益效果：第一、能够将超声波传感器制作得非常小，小到其横截面最大直径仅为6mm；第二、能够利用圆锥面的反射聚能作用将原始发散的超声波能量转换成能量集中的超声波束沿着超声波发射器的中轴线平行方向发射；第三、能够利用圆锥面的反射作用将接收到的超声波束转换成对压电晶片表面均匀分布的超声波能量场，同时对超声波接收方向性也得到了增强。