專利名稱：組合式超聲波換能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波測距換能器，尤其是可用于檢測遠距離高速移動目標的寬頻帶超聲波換能器。
背景技術：
超聲波具有束射和反射特性，基本上可以沿直線傳播，其能量遠遠大于相同振幅的低頻聲波，非接觸式超聲測距換能器正是利用超聲波的這種特性而制成的。在空氣介質中，超聲測距換能器的性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且價格低廉、使用方便，因此，在物位測量、車輛與機器人自動導航、物體識別與定位、車輛安全行駛輔助系統乃至地形地貌探測等許多領域，超聲測距換能器有著廣泛的用途。然而，超聲波換能器的短作用距離和窄頻帶等缺陷，一直是擴大超聲波換能器應用范圍的瓶頸問題。中國傳感器網(www.chinasensors.com)公布了目前國內市面銷售的圓盤式超聲波換能器，其測量范圍均小于15m，頻帶寬度小于4kHz。國外公司的超聲波傳感器網(www.airmar.com)公布了氣介式超聲波換能器，其測量范圍為30m，頻帶寬度小于4kHz。超聲波換能器的作用距離太短和頻帶太窄，限制了這類換能器在無人作戰坦克、車輛安全行駛輔助系統和交通流量管理系統中的應用。因為在這些系統中，不但要求超聲波換能器能夠測量遠距離目標，還要求超聲波換能器能夠測量快速移動目標。考慮到多普勒效應，如果超聲波換能器的頻帶太窄，被快速運動目標反射回來的回波信號的頻率很可能落入換能器的帶寬之外，使換能器無法檢測到回波信號。因此研制和開發作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器成為國內外普遍關注的問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。該換能器的作用距離大于35m，頻帶寬度達到10kHz，能檢測高速移動的遠距離目標。
本發明的技術方案是本發明是由外殼、匹配層(即聲窗)、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal(鐃鈸)陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器，由它發射和接收超聲波信號；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收器，用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。
壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，直徑為Φ90mm，厚度為12mm，工作頻率為23.5kHz，諧振阻抗約為500Ω，從壓電陶瓷圓盤換能器接出的引出電纜成為SIG1和SIG2，與圓盤式換能器的驅動電路相連。
Cymbal陣列接收器由8～16只Cymbal換能器、兩個金屬圓環和橡膠墊圈組成。Cymbal換能器的多少與壓電陶瓷圓盤換能器的大小和換能器對回波的接收靈敏度有關，Cymbal換能器越多，接收靈敏度越高。金屬圓環的內直徑均為Φ94mm，外直徑均為Φ120mm，圓環厚度為1mm。橡膠墊圈分別墊在金屬圓環外圓環的內側和內圓環的外側，Cymbal換能器均勻分布在墊有橡膠墊圈的內外圓環之間。引出電纜從Cymbal陣列接收器引出，與Cymbal陣列接收器的接收電路相連。
Cymbal換能器由兩只鐃鈸形金屬薄殼夾持一枚厚度方向極化的壓電陶瓷圓片組成，并用環氧樹脂膠粘接在一起。壓電陶瓷圓片的半徑R0為6mm，厚度為1mm；鐃鈸形金屬薄殼用厚度為0.30mm的高彈性鈹青銅(QBe1.9)帶材制成。鐃鈸形金屬薄殼外緣半徑與壓電陶瓷圓片的半徑相等，也為6mm，內腔的底面半徑R1＝5mm，頂面半徑R2＝1.5mm，高度H＝0.4mm。這些幾何參數和材料的改變，將影響Cymbal換能器的諧振模態。
本發明的工作原理是以中心頻率為23.5kHz高壓脈沖信號或超聲頻信號激勵圓盤式壓電陶瓷換能器，使之向外發送超聲波；利用圓盤式壓電陶瓷換能器和Cymbal換能器及其接收電路，共同接收由目標反射回來的回波信號。由于Cymbal換能器結構小、接收靈敏度高，故可用于接收由多普勒效應產生20～30kHz之間的回波信號，Cymbal換能器能夠感知的回波信號的上限頻率fH＝30kHz，能夠感知的回波信號的下限頻率fL＝20kHz。
采用本發明能產生以下技術效果1.對于靜態目標，超聲波回波信號不發生多普勒頻偏，本發明中的兩類換能器共同接收波信號，增大了超聲波接收器的輸出，本發明與發射電路及接收電路一起構成超聲波測距換能器，其作用距離大于35m；2.對于移動目標的測量分兩種情況，當目標靠近換能器所在位置時，本發明能夠測量移動目標的最大速度vf為vf=(fH-fc)·c2fc≈170(km/hr)]]>式中，fH為Cymbal換能器所能感知的回波信號的上限頻率，fH＝30kHz；fc為圓盤換能器發送超聲波信號的中心頻率，fc＝23.5kHz；c為聲波在空氣中的傳播速度，c≈340m/s；當目標遠離換能器所在位置時，組合式超聲波探頭能夠測量移動目標的最大速度va為va=(fc-fL)c2fc≈91(km/hr)]]>式中，fL為Cymbal換能器所能感知的回波信號的下限頻率，fL＝20kHz。
如果不采用本發明組合式換能器結構，而僅僅采用背景技術所公布的圓盤換能器結構，由于其頻帶僅為4kHz，故只能探測慢速移動目標。假設圓盤換能器的中心頻率為fc＝23.5kHz，由于其可敏感的回波信號的上限頻率為fH＝25.5kHz，下限頻率為fL＝21.5kHz，故有vf=(fH-fc)·c2fc=(25.5-23.5)·3402·23.5≈52(km/hr)]]>va=(fc-fL)c2fc=(23.5-21.5)·3402·23.5≈52(km/hr)]]>因此，與一般的圓盤換能器比較，本發明能檢測速度更高的遠距離移動目標。
圖1是國產圓盤式換能器的典型結構。
圖2是AIRMAR圓盤式超聲波換能器的典型結構。
圖3是本發明組合式換能器的結構圖。
圖4是Cymbal陣列接收器的結構圖。
圖5是單個Cymbal換能器的結構圖。
圖6是圓盤式換能器驅動電路。
圖7是圓盤換能器接收電路的前端放大器。
圖8是Cymbal陣列接收器的接收電路。
圖9是由運算放大器組成的加法器，圖7和圖8所示接收電路的輸出信號VP與VC分別作為加法器的輸入端，而加法器的輸出端VR由組合式超聲波換能器所接收的回波信號。
具體實施例方式
圖1是中國傳感器網(www.chinasensors.com)公布的國內市面銷售的圓盤式超聲波換能器的結構圖。圖2是超聲波傳感器網(www.airmar.com)公布的氣介式超聲波換能器結構圖。它們均由換能器的外殼1、匹配層(即聲窗)2、壓電陶瓷圓盤換能器3、背襯4和引出電纜5組成。如果將它們作為收、發兼用的超聲波換能器，配置適當實際換能器的驅動電路和接收電路以及信號處理電路或算法，此類換能器也可作為大作用距離超聲波測距換能器使用。但是，由于在空氣介質中換能器的通帶通常僅有4kHz，故只能用于檢測靜態或低速運動的目標。
圖3是本發明組合式超聲波換能器的結構圖。本發明由外殼1、匹配層(即聲窗)2、壓電陶瓷圓盤換能器3、背襯4、引出電纜5、Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器3采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，直徑為Φ90mm，厚度為12mm，工作頻率為23.5kHz，諧振阻抗約為500Ω；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器3之上。引出電纜5從壓電陶瓷圓盤換能器3接出，成為SIG1和SIG2；引出電纜6從Cymbal陣列接收器引出，與Cymbal陣列接收器的接收電路相連。
圖4是Cymbal陣列接收器結構圖。Cymbal陣列接收器由引出電纜6、8～16只Cymbal換能器7、金屬圓環8、9和橡膠墊圈10組成。金屬圓環8、9的內徑均為Φ94mm，外徑均為Φ120mm，圓環厚度為1mm。Cymbal換能器均勻分布在墊有橡膠墊圈10的金屬圓環8、9的內外圓環之間。
如圖5所示，Cymbal換能器(7)由上、下對稱的兩只鐃鈸形金屬薄殼11夾持一枚厚度方向極化的壓電陶瓷圓片12所組成，其中，鐃鈸形金屬薄殼11與壓電陶瓷圓片12之間用環氧樹脂膠13粘接。壓電陶瓷圓片12的半徑R0為6mm，厚度為1mm；鐃鈸形金屬薄殼11用厚度為0.30mm的高彈性鈹青銅(QBe1.9)帶材制成。鐃鈸形金屬薄殼11外緣半徑與壓電陶瓷圓片12的半徑相等，也是6mm，內腔的底面半徑R1＝5mm，頂面半徑R2＝1.5mm，高度H＝0.4mm。這些幾何參數和材料的改變，將影響Cymbal換能器的諧振模態。
圖6是圓盤換能器的驅動電路。驅動電路由邏輯控制與驅動電平轉換電路和推挽式放大電路組成，推挽式放大電路與本發明壓電陶瓷圓盤換能器3的SIG1和SIG2相連。當選通信號為高電平時，圓盤換能器作為超聲波發射器使用，超聲頻數字脈沖信號通過驅動電路放大后變成高電源脈沖信號，激勵圓盤換能器，使之向外界發送超聲波；當驅動電路中的選通信號為低電平時，驅動電路不工作，圓盤換能器作為超聲波接收器使用。
圖7是本發明接收電路的前端放大器。當驅動電路中的選通信號為低電平時，換能器將接收到的超聲波轉換為微弱的電信號，經前端放大器放大后得到輸出信號VP，供下級電路進行信號調理。其中帶有中心抽頭的脈沖變壓器TR用于與換能器進行阻抗匹配，使換能器在接收回波時具有最高的靈敏度。
圖8是Cymbal陣列接收器的低噪聲前端放大器。圖中電容Cp和電感Lp是Cymbal陣列的阻抗匹配元件。通過適當設計，使Cymbal陣列中心諧振頻率為25kHz，經過阻抗匹配后，Cymbal陣列的帶寬為10kHz，也即其品質因素Q＝2.5。Cymbal陣列接收器的低噪聲前端放大器的輸出為VC。
圖9是加法器電路。壓電陶瓷圓盤換能器3前置放大電路的輸出信號VP和Cymbal陣列接收器的前置放大電路的輸出信號VC經圖9所示的加法器求和、放大電路合成一個接收信號VR，再加上后續的自動增益控制電路、帶通濾波器和放大電路，即可構成完整的接收電路。
權利要求
1.一種組合式超聲波換能器，包括外殼(1)、匹配層即聲窗(2)、壓電陶瓷圓盤換能器(3)、背襯(4)、引出電纜(5)，其特征在于它還包括Cymbal陣列接收器，它由引出電纜(6)、8～16只Cymbal換能器(7)、金屬圓環(8)、(9)和橡膠墊圈(10)組成；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器3之上；壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器，由它發射和接收超聲波信號；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收器，用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。
2.如權利要求1所述的組合式超聲波換能器，其特征在于所述壓電陶瓷圓盤換能器(3)采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，直徑為Ф90mm，厚度為12mm，工作頻率為23.5kHz，諧振阻抗約為500Ω；引出電纜(5)從壓電陶瓷圓盤換能器(3)接出，成為SIG1和SIG2，與圓盤式換能器(3)的驅動電路相連。
3.如權利要求1所述的組合式超聲波換能器，其特征在于所述Cymbal陣列接收器中Cymbal換能器的多少與壓電陶瓷圓盤換能器的大小和換能器對回波的接收靈敏度有關，Cymbal換能器越多，接收靈敏度越高；金屬圓環(8)、(9)的內直徑均為Ф94mm，外直徑均為Ф120mm，圓環厚度為1mm；橡膠墊圈分別墊在金屬圓環(8)、(9)外圓環的內側和內圓環的外側，Cymbal換能器均勻分布在墊有橡膠墊圈(10)的金屬圓環(8)、(9)的內外圓環之間；引出電纜(6)從Cymbal陣列接收器引出，與Cymbal陣列接收器的接收電路相連。
4.如權利要求1所述的組合式超聲波換能器，其特征在于所述Cymbal換能器(7)由上、下對稱的兩只鐃鈸形金屬薄殼(11)夾持一枚厚度方向極化的壓電陶瓷圓片(12)組成，其中，鐃鈸形金屬薄殼(11)與壓電陶瓷圓片(12)之間用環氧樹脂膠(13)粘接；壓電陶瓷圓片(12)的半徑R0為6mm，厚度為1mm；鐃鈸形金屬薄殼(11)用厚度為0.30mm的高彈性鈹青銅即QBe1.9帶材制成；鐃鈸形金屬薄殼(11)外緣半徑與壓電陶瓷圓片(12)的半徑相等，也是6mm，內腔的底面半徑R1＝5mm，頂面半徑R2＝1.5mm，高度H＝0.4mm。
全文摘要
本發明公開了一種組合式超聲波換能器，要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。本發明由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT－5壓電材料制成，Cymbal陣列接收器由8～16只Cymbal換能器、兩個金屬圓環和橡膠墊圈組成。壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超聲波換能器，由它發射和接收超聲波信號；Cymbal陣列接收器位于圓盤式壓電換能器之上，作為超聲波接收器，用于接收圓盤換能器頻帶之外的多普勒回波信號。本發明的作用距離大于35m，頻帶寬度達到10kHz，能檢測高速移動的遠距離目標。
文檔編號B06B1/06GK1767225SQ20051003218
公開日2006年5月3日 申請日期2005年9月23日 優先權日2005年9月23日
發明者潘仲明, 王躍科, 喬純捷, 楊俊 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學