RU2159517C2

RU2159517C2 - Ultrasound transducer

Info

Publication number: RU2159517C2
Application number: RU98105213A
Authority: RU
Inventors: Серен Лольк
Original assignee: Данфосс А/С
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 2000-11-20
Also published as: DK96795A; PL325195A1; WO1997008917A1; DK172322B1; AU6785196A

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device may be used for emission of sound into liquid, in particular, for detection of object position under water. Goal of invention is achieved by design of ultrasound transducer, which has housing, which ends with tight diaphragm, and is mounted in external frame. Oscillating member is designed as piezoelectric disk, which is supported in housing center and has electrodes on its front and back sides. In addition, device has support, which is mounted in housing and carries piezoelectric disk, and electric screen which is located between support and piezoelectric disk, which is in electric contact to electrode, which is located on front surface of piezoelectric disk. Part of electric screen provides centering units, which center piezoelectric disk. EFFECT: possibility to use ultrasound transducer as transmitter and as receiver under arbitrary static pressure. 11 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковому преобразователю для излучения в текучие среды, включающему корпус, оканчивающийся плотной мембраной, которая установлена во внешней раме и имеет в качестве колебательного элемента пьезоэлектрический диск, установленный в центре корпуса и электрически соединенный с помощью электродов по обеим сторонам. The invention relates to an ultrasonic transducer for radiation into fluids, including a housing ending in a dense membrane, which is installed in the outer frame and has as a vibrating element a piezoelectric disk mounted in the center of the housing and electrically connected by electrodes on both sides.

Известны многочисленные конструкции такого типа, основная форма которых была разработана в конце первой мировой войны для определения местонахождения объектов под водой. В DK 151676 описан такой преобразователь с современными деталями для использования, среди прочего, в нагревательной установке для измерения скорости потока в трубах. В указанном источнике описан пьезоэлектрический керамический диск, снабженный электродами спереди и сзади, который поддерживается только около края. С передней стороны он снабжен защитной пленкой. Эта конструкция имеет отличные характеристики при использовании в качестве ультразвукового передатчика, если гарантируется, что статическое давление снаружи и внутри не слишком высоко и что всегда имеется избыточное давление на той стороне. Однако эта конструкция не годится для универсального применения, например, когда разность между давлениями спереди и сзади становится отрицательной или когда имеют место большие положительные разности давлений. В описанной конструкции это приводит либо к вытягиванию, либо к разрушению пьезоэлектрического элемента; в обоих случаях преобразователь выйдет из строя. Кроме того, электрический экран преобразовательного узла недостаточен для того, чтобы его можно было использовать в качестве приемника. Это является большим недостатком в тех конструкциях, в которых потенциал корпуса преобразователя не равен "земле" устройства. Numerous structures of this type are known, the main form of which was developed at the end of the First World War to determine the location of objects under water. DK 151676 describes such a converter with modern components for use, inter alia, in a heating system for measuring the flow rate in pipes. The indicated source describes a piezoelectric ceramic disk equipped with electrodes at the front and back, which is supported only near the edge. On the front side it is equipped with a protective film. This design has excellent characteristics when used as an ultrasonic transmitter, if it is guaranteed that the static pressure outside and inside is not too high and that there is always overpressure on the other side. However, this design is not suitable for universal use, for example, when the pressure difference between the front and rear becomes negative or when large positive pressure differences occur. In the described construction, this leads either to elongation or to destruction of the piezoelectric element; in both cases, the converter will fail. In addition, the electrical screen of the conversion unit is insufficient to be used as a receiver. This is a big drawback in those designs in which the potential of the converter housing is not equal to the "ground" of the device.

Целью изобретения является создание ультразвукового преобразователя описанного выше типа, который допускает универсальное использование как в качестве передатчика, так и в качестве приемника при любом встречающемся на практике статическом давлении и который имеет эффективный экран для защиты от электрических щумовых помех. The aim of the invention is to provide an ultrasonic transducer of the type described above, which allows universal use both as a transmitter and as a receiver for any static pressure encountered in practice and which has an effective shield for protection against electrical noise interference.

Эта цель достигается тем, что в конструкции согласно изобретению центрирующие средства составляют часть электрического экрана, который размещен между опорой и пьезоэлектрическим элементом. This goal is achieved by the fact that in the construction according to the invention, the centering means form part of an electric screen, which is placed between the support and the piezoelectric element.

Согласно пункту 2 пьезоэлектрический элемент эффективно поддерживается за счет образования тесного контакта с поддерживающим корпусом на большой части поверхности. According to paragraph 2, the piezoelectric element is effectively supported due to the formation of close contact with the supporting housing on a large part of the surface.

Благодаря тому, что передний электрод простирается по поверхности диска, захватывая его край, пальцы экрана/центрирующие средства одновременно могут обеспечивать контакт. Due to the fact that the front electrode extends over the surface of the disk, capturing its edge, the fingers of the screen / centering means can simultaneously provide contact.

Таким образом, экран полностью закрывает диск и прерывается только в месте, где выполнено отверстие, через которое может быть пропущен внутренний проводник, а поверхность, окружающая это отверстие, может быть соединена с экраном используемого коаксиального кабеля. Thus, the screen completely covers the disk and is interrupted only at the place where the hole is made through which the inner conductor can be passed, and the surface surrounding this hole can be connected to the screen of the coaxial cable used.

Благодаря тому, что экран образован расплетенным концом экрана соединительного кабеля, в котором каждый проводник проложен, главным образом, по радиусу по задней стороне пьезоэлектрического диска, получается простая и дешевая конструкция. Преимущество конструкции состоит в том, что достигается центрирование без использования дополнительного центрирующего элемента внутри поддерживающей чаши благодаря тому, что концы проводников коаксиального кабеля охватывают края диска. Due to the fact that the screen is formed by the braided end of the screen of the connecting cable, in which each conductor is laid mainly along the radius on the rear side of the piezoelectric disk, a simple and cheap design is obtained. The design advantage is that centering is achieved without the use of an additional centering element inside the support bowl due to the fact that the ends of the coaxial cable conductors span the edges of the disk.

В результате заделки проводников в слой клейкого материала между опорой и пьезоэлектрическим элементом обеспечивается его крепление, а выполнение этого слоя достаточно толстым уменьшает опасность возникновения местных напряжений в пьезоэлектрическом диске, где два проводника пересекаются друг с другом. As a result of sealing the conductors into the adhesive material layer between the support and the piezoelectric element, it is secured, and the implementation of this layer is sufficiently thick reduces the risk of local stresses in the piezoelectric disk, where the two conductors intersect each other.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения проводники проложены между изолирующим конусом и конусообразным пазом в опоре так, что обеспечивается их изоляция и защита. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрена пружина, один конец которой опирается на внутреннюю поверхность изолирующего конуса для крепления центрального проводника коаксиального кабеля к заднему электроду пьезоэлектрического диска. In a preferred embodiment, the conductors are laid between the insulating cone and the conical groove in the support so that they are insulated and protected. In another preferred embodiment of the invention, a spring is provided, one end of which rests on the inner surface of the insulating cone for attaching the center conductor of the coaxial cable to the rear electrode of the piezoelectric disk.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрены простые средства ослабления тянущего усилия, состоящие из узла на кабеле, помещенного без возможности поворота в колодцеобразной выемке в поддерживающем элементе. In yet another preferred embodiment of the invention, simple means of weakening the pulling force are provided, consisting of a node on a cable placed without the possibility of rotation in a well-shaped recess in the supporting element.

Конструкция является чрезвычайно технологичной, так как все сборочные операции включают приложение давления в осевом направлении, поскольку между всеми поверхностями устанавливается заранее изготовленный слой из клейкого материала. Кроме того, этот слой действует как электрическая изоляция. Соединительная гайка не используется, однако фиксация в осевом направлении достигается пружинным кольцом в канавке рамы вблизи той стороны преобразователя, с которой осуществляется его соединение, а уплотнительное кольцо на противоположном конце корпуса обеспечивает начальное давление. The design is extremely technological, since all assembly operations include the application of pressure in the axial direction, since a prefabricated layer of adhesive material is installed between all surfaces. In addition, this layer acts as an electrical insulation. A connecting nut is not used, however, axial locking is achieved by a spring ring in the frame groove near the side of the transducer with which it is connected, and a sealing ring at the opposite end of the housing provides initial pressure.

Изобретение поясняется чертежами, на которых
фиг. 1 изображает продольный разрез ультразвукового преобразователя во внешней раме и
фиг.2 - другой вариант выполнения ультразвукового преобразователя согласно изобретению.The invention is illustrated by drawings, in which
FIG. 1 shows a longitudinal section through an ultrasonic transducer in an external frame and
figure 2 is another embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention.

Внешняя рама 1, которая может представлять собой, например, стенку трубы или контейнера или часть измерителя скорости потока, имеет колодцеобразный паз 2, а два уплотнительных кольца 3 и 4 обеспечивают уплотнение относительно корпуса 5 преобразователя. Корпус преобразователя оканчивается мембраной 6, на которую устанавливается уплотнительное кольцо 4. Пьезоэлектрический элемент 7 покрыт металлом частично на передней стороне, образуя передний электрод 8, частично на задней стороне, образуя задний электрод 9, при этом эти два электрода разделены широким непокрытым кольцом 10. Вокруг пьезоэлектрического диска размещено кольцо, образованное пальцами 11, которое переходит в экранную пластину 12, имеющую с внутренней стороны платформу 13 в виде консервной банки. Диск 7 и экран установлены в чашеобразной опоре 14, имеющей боковую стенку 15 в виде юбки, окружающую кольцо из пальцев 11 и обеспечивающую центрирование конструкции в корпусе 5. Задний электрод 9 соединен с центральным проводником 16 коаксиального кабеля 17, экран которого соединен с платформой 13. Коаксиальный кабель 17 проходит через уплотнение 19 в корпусе 5. The outer frame 1, which may be, for example, the wall of a pipe or container or part of a flow meter, has a well-shaped groove 2, and two o-rings 3 and 4 provide a seal relative to the housing 5 of the converter. The transducer housing ends with a membrane 6, on which the O-ring is mounted 4. The piezoelectric element 7 is coated with metal partially on the front side, forming the front electrode 8, partially on the rear side, forming the rear electrode 9, while these two electrodes are separated by a wide uncoated ring 10. Around a piezoelectric disk is placed a ring formed by the fingers 11, which passes into the screen plate 12 having on the inside of the platform 13 in the form of a can. The disk 7 and the screen are installed in a bowl-shaped support 14 having a side wall 15 in the form of a skirt, surrounding the ring of fingers 11 and providing centering of the structure in the housing 5. The rear electrode 9 is connected to the central conductor 16 of the coaxial cable 17, the screen of which is connected to the platform 13. Coaxial cable 17 passes through the seal 19 in the housing 5.

Все поверхности снабжены заранее изготовленным слоем Т клейкого материала, так что сборка может быть выполнена путем присоединения кольца из клейкого материала к опоре 14, которая после этого закрепляется в корпусе 5. Аналогично кольцо из клейкого материала присоединяется к нижней стороне экрана 12, который затем закрепляется в опоре 14, центрируемый пальцами 11 и юбкой 15. Кольцо из клейкого материала также присоединяется к задней стороне пьезоэлектрического диска 7, который затем закрепляется на экранной пластине 12, при этом пальцы 11 центрируют диск 7 по его кромке. Небольшой диск из клейкого материала присоединяется к пьезоэлектрическому диску таким образом, что он выступает за край корпуса 5, за которым установлена мембрана 6. Уплотнительные кольца 3 и 4 размещены каждое в своей канавке, а корпус 5 установлен во внешней раме 1. В канавке внешней рамы 1 у задней части корпуса 5 установлено запорное кольцо 20. Соединение коаксиального кабеля 17 не описано, так как оно известно специалистам в данной области. Для ослабления тянущего усилия в экране 18 коаксиального кабеля в месте его соединения с экраном 13 могут быть выполнены складки. All surfaces are provided with a pre-made layer T of adhesive material, so that assembly can be done by attaching a ring of adhesive material to a support 14, which is then fixed in the housing 5. Similarly, a ring of adhesive material is attached to the underside of the screen 12, which is then fixed to the support 14, centered by the fingers 11 and the skirt 15. A ring of adhesive material is also attached to the rear side of the piezoelectric disk 7, which is then mounted on the screen plate 12, while the fingers 11 are centered comfort disk 7 to its edge. A small disk of adhesive material is attached to the piezoelectric disk so that it protrudes beyond the edge of the housing 5, behind which the membrane 6 is installed. O-rings 3 and 4 are each located in their own groove, and the housing 5 is installed in the outer frame 1. In the groove of the outer frame 1, a locking ring 20 is installed at the rear of the housing 5. The connection of the coaxial cable 17 is not described, as it is known to those skilled in the art. To weaken the pulling force in the screen 18 of the coaxial cable, folds can be made in the place of its connection with the screen 13.

На фиг. 2 показано, как можно еще больше упростить реальную конструкцию ультразвукового преобразователя при сохранении всех преимуществ данного изобретения. На фиг. 2 элементы, которые присутствуют также на фиг. 1, имеют те же цифровые позиции. Здесь опора 14 простирается до задней стороны с образованием конусообразной чаши 14а. Экран 11, 12, 13, здесь полностью заменен экраном 18 коаксиального кабеля 17, который для этого расплетается и расплющивается, а затем закрепляется между слоем Т клейкого материала и пьезоэлектрическим диском, образуя электрический контакт с металлическим покрытием 8 на передней стороне. Таким образом, отпадает необходимость в специальном изготовлении экрана с платформой в виде банки и контактными лепестками. Центральный проводник 16 коаксиального кабеля 17 крепится к заднему электроду 9 посредством пружины 20. Другой конец этой пружины опирается на внутреннюю поверхность конуса 21 из политетрафторэтилена, размещенного вокруг изоляции центрального проводника и предохраняющего проводники 18 экрана от соприкосновения с пружиной 20 или электродом 9. Таким образом, расплетенные нити экрана кабеля находятся в безопасном месте - между конусообразной чашей 14а опоры и наружной поверхностью конуса 21 из политетрафторэтилена. На практике нет необходимости использовать все нити экрана кабеля, если расстояние между соседними нитями по периферии электрического диска 7 не превышает 3 мм. Слой клейкого материала между пьезоэлектрическим диском 7 и опорой 14 толще, чем остальные слои, чтобы две нити могли пересекаться, не создавая в пьезоэлектрическом диске вредных локальных напряжений, вызванных давлением. In FIG. 2 shows how to further simplify the actual design of the ultrasonic transducer while maintaining all the advantages of the present invention. In FIG. 2 elements, which are also present in FIG. 1, have the same digital position. Here, the support 14 extends to the rear side to form a cone-shaped bowl 14a. The screen 11, 12, 13, here is completely replaced by the screen 18 of the coaxial cable 17, which is untwisted and flattened, and then fixed between the adhesive layer T and the piezoelectric disk, forming an electrical contact with the metal coating 8 on the front side. Thus, there is no need for a special manufacture of a screen with a platform in the form of a can and contact petals. The central conductor 16 of the coaxial cable 17 is attached to the rear electrode 9 by means of a spring 20. The other end of this spring rests on the inner surface of a polytetrafluoroethylene cone 21 placed around the insulation of the central conductor and protecting the shield conductors 18 from contact with the spring 20 or electrode 9. Thus, the braided threads of the cable shield are in a safe place between the cone-shaped support cup 14a and the outer surface of the polytetrafluoroethylene cone 21. In practice, it is not necessary to use all the threads of the cable screen if the distance between adjacent threads on the periphery of the electric disk 7 does not exceed 3 mm. The layer of adhesive material between the piezoelectric disk 7 and the support 14 is thicker than the remaining layers so that the two threads can intersect without creating harmful local stresses caused by pressure in the piezoelectric disk.

В этом варианте выполнения ослабление тянущего усилия обеспечивается узлом 22 на коаксиальном кабеле. Чтобы исключить возможность поворота конца коаксиального кабеля, узел 22 помещен в цилиндрической выемке 14b, выполненной в опоре 14. Направляющая кривая для цилиндра имеет в основном овальную форму или форму цифры восемь для эффективного захвата узла. Узел 22 удерживается в выемке в помощью изолирующей втулки 23, помещенной изнутри в отверстие, выполненное в корпусе 2. С целью уплотнения этот узел может быть окружен клейкой массой. In this embodiment, pulling attenuation is provided by the assembly 22 on the coaxial cable. To exclude the possibility of turning the end of the coaxial cable, the node 22 is placed in a cylindrical recess 14b made in the support 14. The guide curve for the cylinder is mainly oval or the shape of the figure eight for effective capture of the node. The assembly 22 is held in a recess by means of an insulating sleeve 23 placed internally in an opening formed in the housing 2. For the purpose of sealing, this assembly may be surrounded by an adhesive mass.

Claims

1. An ultrasonic transducer for radiation into fluids containing a housing (2) ending in a dense membrane that is installed in the outer frame (1) and has a piezoelectric disk (7) as an oscillating element, supported in the center of the housing and having electrodes (8, 9) on its front and rear sides, characterized in that it contains a support (14), which is fixed in the housing and in which a piezoelectric disk (7) is installed, and an electric screen (11, 12, 13, 18), laid between the support (14) and the piezoelectric disk (7) and find which is in electrical contact with the electrode (8) on the front side of the piezoelectric disk (7), and part of the electric screen forms centering means that center the piezoelectric disk (7).

2. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the piezoelectric disk (7), which oscillates mainly in the thickness direction, is supported on its rear side on the largest part of its surface around the rear electrode (9).

3. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the electric screen includes edge means (11) forming contact with the front electrode (8) of the piezoelectric disk.

4. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the electric screen has an opening, the edge of which is connected to the screen (18) of the connecting coaxial cable (17).

5. The ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the electric screen consists of the braided end of the screen (18) of the connecting coaxial cable (17), in which a certain number of conductors are laid mainly along the radius of the rear surface of the piezoelectric disk (7).

6. The ultrasonic transducer according to claim 5, characterized in that the conductors are embedded in a layer of adhesive material between the support (14) and the piezoelectric element (7).

7. The ultrasonic transducer according to claim 3 or 5, characterized in that behind the portion where the conductors extend parallel to the disk, the conductors are laid around the edge of the disk (7) from the inside of the support wall (15) to create centering means for the disk.

8. An ultrasonic transducer according to claim 5 or 6, characterized in that the conductors in their path between the cable and the attachment point in the adhesive layer are laid mainly along the conical surface between the groove made in the support and the insulating cone (21).

9. An ultrasonic transducer according to claim 8, characterized in that the central conductor (16) of the coaxial cable is in contact with the electrode (9) due to the pressure exerted by the spring on the inner surface of the insulating cone (21) and on the central conductor (16).

10. Ultrasonic transducer according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the means of weakening the pulling force for the coaxial cable is formed by a unit (22) made on it, which is placed in a cylindrical recess tightly adjacent to the unit along its surface.

11. The ultrasonic transducer of claim 10, wherein the assembly is surrounded by an elastic, possibly adhesive, mass when placed in a recess.