非焊接式压电振子连接装置及采用其的超声流量检测装置
阅读说明：本技术 非焊接式压电振子连接装置及采用其的超声流量检测装置 (Non-welding type piezoelectric vibrator connecting device and ultrasonic flow detection device adopting same ) 是由 徐安察 方泽华 赵楠楠 陈文昱 付婧媛 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了非焊接式压电振子连接装置及采用其的超声流量检测装置,连接装置包括旋帽、套管、压电振子座；旋帽内设置有旋帽内腔,旋帽内腔内设置有旋帽内腔阶梯面,套管一端插入旋帽内腔并与所述旋帽内腔阶梯面相抵,另一端与压电振子座固定连接；压电振子座内设有环形腔,环形腔用于内嵌安装压电振子,环形腔内设有对压电振子限位的环形腔阶梯面；压电振子座两侧侧壁分别设置有与环形腔连通的第一线孔、第二线孔；第一信号导线、第二信号导线分别通过第一线孔、第二线孔与压电振子的两电极电性连接。本发明中信号导线与压电振子电极以压接方式连接,避免了焊接高温和焊点一致性对压电振子工作特性的影响；且当压电振子损坏时,更换更方便。(The invention discloses a non-welding piezoelectric vibrator connecting device and an ultrasonic flow detection device adopting the same, wherein the connecting device comprises a screw cap, a sleeve and a piezoelectric vibrator seat; a screw cap inner cavity is arranged in the screw cap, a screw cap inner cavity step surface is arranged in the screw cap inner cavity, one end of the sleeve is inserted into the screw cap inner cavity and is abutted against the screw cap inner cavity step surface, and the other end of the sleeve is fixedly connected with the piezoelectric vibrator seat; an annular cavity is arranged in the piezoelectric vibrator seat and used for embedding and mounting the piezoelectric vibrator, and an annular cavity stepped surface for limiting the piezoelectric vibrator is arranged in the annular cavity; the side walls of the two sides of the piezoelectric vibrator seat are respectively provided with a first wire hole and a second wire hole which are communicated with the annular cavity; the first signal wire and the second signal wire are respectively electrically connected with the two electrodes of the piezoelectric vibrator through the first wire hole and the second wire hole. According to the invention, the signal wire is connected with the piezoelectric vibrator electrode in a compression joint mode, so that the influence of welding high temperature and welding spot consistency on the working characteristics of the piezoelectric vibrator is avoided; and when the piezoelectric vibrator is damaged, the replacement is more convenient.)
技术领域
本发明属于超声流量计技术领域，尤其涉及非焊接式压电振子连接装置及采用其的超声流量检测装置。
背景技术
超声流量传感器通过非接触方式测量管路内液体介质的流量，对液体介质的流动和洁净度影响小，测量准确、快速，特别适合半导体工业等测量精度和洁净度要求高的应用场合，被广泛地应用于二次配系统、CDS系统、浸液系统、涂胶显影设备及清洗设备等半导体装备。
超声流量传感器的一种测量原理如图1所示，压电振子P成对地安装在测量管两侧，在控制器的作用下发射与接收超声波信号，使超声波依次完成顺流和逆流传播，分别测量超声波信号的顺流传播时间和逆流传播时间，根据下列关系式计算管内的流体流量：
其中，L为压电振子之间的距离，c为超声波在介质中的传播速度，v为介质流速，tdown为超声波顺流传播时间，tup为超声波逆流传播时间。
如图2、3所示，超声流量传感器中所采用的一种压电振子为反转电极结构的圆形薄片式压电振子P，压电振子P中压电材料的轴向两端分别引出一个电极，分别为Pa端和Pb端，Pa端和Pb端两者极性相反，其中Pb端的电极还经导体延伸至另一轴向端，因此，在一个端面上同时有Pa端和Pb端。通常，使用焊接的方式将信号导线与电极连接，如图4所示，信号导线LN的一端焊接在压电振子P的电极上，另一端与转接头TR连接，转接头TR用于与外部线缆的连接。然而焊接电极和导线时，高温容易改变压电振子的材料特性，而且焊点大小和位置不易精确确定，造成压电振子的振动工作特性在焊接过程前后不一致。这样，每个压电振子在焊接装配后需要单独标定工作参数，以确保信号质量满足高精度流量测量的需要。此外，使用过程中若出现压电振子损坏，采用焊接方式安装的压电振子将难以更换。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种非焊接式压电振子连接装置及采用其的超声流量检测装置。
本发明是通过以下技术方案得以实现的：
一种非焊接式压电振子连接装置，包括旋帽、套管、压电振子座；
旋帽内设置有旋帽内腔，旋帽内腔内设置有旋帽内腔阶梯面，套管一端插入旋帽内腔并与所述旋帽内腔阶梯面相抵，套管另一端与压电振子座固定连接；
压电振子座内设有环形腔，环形腔用于内嵌安装压电振子，环形腔内设有环形腔阶梯面，通过环形腔阶梯面与压电振子相抵以对压电振子进行限位；
压电振子座两侧侧壁分别设置有与环形腔连通的第一线孔、第二线孔；
第一信号导线、第二信号导线穿过旋帽内腔和套管内与压电振子连接；第一信号导线穿过第一线孔，用于与压电振子侧面处的电极电性连接；第二信号导线穿过第二线孔，用于与压电振子端面上的电极电性连接；第一信号导线和第二信号导线所连接的电极的极性相反。
信号导线与压电振子的电极，只需通过接触即可实现连接，通过压接的方式连接，无需进行焊接，避免了焊接过程中高温对压电振子材料特性的影响，并且避免焊点对压电振子的振动特性的影响；当压电振子损坏时，只需更换嵌设于环形腔中的压电振子，提高装置的经济性和环保性。
优选地，所述环形腔与套管内侧连通。
优选地，套管两侧侧壁分别设置有第一槽口、第二槽口，位于套管内的第一信号导线通过第一槽口、第一线孔与压电振子侧壁处的电极电性连接，位于套管内的第二信号导线通过第二槽口、第二线孔与和环形腔阶梯面相正对的压电振子端面上的电极电性连接。
可通过第一槽口、第二槽口分别将第一信号导线、第二信号导线引出套管外，进一步分别通过第一线孔、第二线孔与压电振子电极接触连接。
优选地，套管内部填充有固定胶，固定胶用于固定第一信号导线、第二信号导线。
固定胶的设置避免了第一线孔、第二线孔中的信号导线出现脱线或移动等情况。
优选地，第二线孔端部旁侧连通设置有凹槽，凹槽位于环形腔阶梯面上，第二信号导线穿过第二线孔，弯折第二信号导线的端部后置于凹槽内，用于与压电振子端面上的电极电性连接。
即，第二线孔中引入的第二信号导线可通过弯折并穿过凹槽与压电振子端面上的电极电性连接。
优选地，包括密封层，密封层是具有中心通孔的弹性结构，密封层填充第一信号导线、第二信号导线与旋帽内壁之间的间隙，并且填充套管端面与旋帽内腔阶梯面之间的间隙。
密封层在密封的同时，也起到保护信号导线的作用，此外当压电振子与测量管侧壁相抵时，通过压缩密封层，使压电振子在周向上受到基本均匀的装配压力，使其与测量管壁良好接触，保证超声波的传播效率。
优选地，所述压电振子座的材料包括聚四氟乙烯。
相应地还提供了一种超声流量检测装置，包括上述的一种非焊接式压电振子连接装置，还包括传感器壳体，所述传感器壳体内部具有中空流路供流体介质流通，所述传感器壳体两侧相对设置有第一安装管、第二安装管，第一安装管、第二安装管内各自安装非焊接式压电振子连接装置；非焊接式压电振子连接装置将压电振子压迫在传感器壳体壁面上，压电振子与传感器壳体壁面之间涂覆耦合剂。
首先，信号导线与压电振子的电极以压接的方式连接，无需进行焊接，避免了焊接高温和焊点一致性对压电振子工作特性的影响。其次，当压电振子损坏时，只需更换嵌设于环形腔中的压电振子。再次，通过将非焊接式压电振子连接装置整体安装于安装管中，当装有压电振子的压电振子座前部抵到传感器壳体侧壁时，使压电振子能稳定紧密地和侧壁贴合，使得传感器壳体中所传输的信号能很好的透过侧壁传至压电振子中，且轴向压力会很好的将内部电极压紧，避免了接触不良的现象。
优选地，第一安装管、第二安装管内设有内螺纹，旋帽的外侧设有外螺纹，非焊接式压电振子连接装置可通过旋帽螺纹连接于传感器壳体两侧的安装管中。
优选地，传感器壳体、第一安装管与第二安装管采用一体成型的方式加工为一个整体。
本发明的有益效果是：
信号导线与压电振子的电极以压接的方式连接，无需进行焊接，避免了焊接高温和焊点一致性对压电振子工作特性的影响，在保证测量精度的前提下减少了装配后压电振子的标定过程。实现信号导线和压电振子电机压接的结构保证触点接触良好，同时便于安装。
当压电振子损坏时，只需更换嵌设于环形腔中的压电振子，提高流量检测装置的经济性和环保性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为超洁净流量传感器测量原理示意图；
图2为压电振子一侧端面上Pa、Pb两电极的结构示意图；
图3为压电振子侧壁上Pb端电极的结构示意图；
图4为压电振子通过焊接方式装配的结构示意图；
图5为一种非焊接式压电振子连接装置的外观结构示意图；
图6为一种非焊接式压电振子连接装置的内部结构示意图；
图7为压电振子座的结构示意图；
图8为旋帽和密封层的装配结构示意图；
图9为一种超声流量检测装置的结构示意图；
图中：61、第一信号导线，62、第二信号导线，7、密封层，8、旋帽，81、旋帽内腔、82、旋帽内腔阶梯面，12、套管，121、第一槽口，122、第二槽口，9、固定胶，14、压电振子座，140、环形腔，141、第一线孔，142、第二线孔，143、环形腔阶梯面，144、凹槽，100、压电振子，120、传感器壳体，123、第一安装管，124、第二安装管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图5-8，本实施例提供了一种非焊接式压电振子连接装置，包括旋帽8、套管12、压电振子座14；
旋帽8内设置有旋帽内腔81，旋帽内腔81内设置有旋帽内腔阶梯面82，套管12一端插入旋帽内腔81并与所述旋帽内腔阶梯面82相抵，套管12另一端与压电振子座14固定连接；
压电振子座14内设有环形腔140，环形腔140用于内嵌安装压电振子100，环形腔140内设有环形腔阶梯面143，通过环形腔阶梯面143与压电振子100相抵以对压电振子100进行限位；
压电振子座14两侧侧壁分别设置有与环形腔140连通的第一线孔141、第二线孔142；
第一信号导线61、第二信号导线62穿过旋帽内腔81和套管12内与压电振子100连接；第一信号导线61穿过第一线孔141，用于与压电振子100侧面处(Pb端)的电极电性连接；第二信号导线62穿过第二线孔142，用于与压电振子100端面上(Pa端)的电极电性连接，且第一信号导线61和第二信号导线62所连接的电极的极性相反。
信号导线与压电振子100的电极通过压接的方式连接，无需进行焊接，避免了焊接过程中高温对压电振子100材料特性的影响，并且避免焊点对压电振子100的振动特性的影响。当压电振子100损坏时，只需更换嵌设于环形腔140中的压电振子100。
参照图6、8，旋帽内腔81内设置有旋帽内腔阶梯面82，套管12一端插入旋帽内腔81并与所述旋帽内腔阶梯面82相抵。旋帽内腔阶梯面82起到对套管12的限位和支撑作用。
参照图6、7，环形腔140内设有环形腔阶梯面143，压电振子100嵌设于环形腔140内并与环形腔阶梯面143相抵，环形腔阶梯面143起到对压电振子100的限位和支撑作用。这里需要说明的是，压电振子100远离套管12一面需要至少与压电振子座14端部平面齐平，或者略微高出压电振子座14端部平面，以使该压电振子100可充分接触测量管的侧壁。
压电振子座14采用具有热加工性的PTFE(聚四氟乙烯)材料制成，便于压电振子座14的成形加工，并且具有一定延展性和弹性，能够嵌设固定压电振子100。
具体地：
参照图5、6，套管12两侧侧壁分别设置有第一槽口121、第二槽口122，位于套管12内的第一信号导线61通过第一槽口121、第一线孔141与压电振子100侧壁处的电极电性连接，位于套管12内的第二信号导线62通过第二槽口122、第二线孔142与和环形腔阶梯面143相正对的压电振子100端面上的电极电性连接。即可通过第一槽口121、第二槽口122分别将第一信号导线61、第二信号导线62引出套管12外，进一步分别通过第一线孔141、第二线孔142与压电振子100电极接触连接。
参照图6，套管12内部填充有固定胶9，固定胶9用于固定第一信号导线61、第二信号导线62，避免了第一线孔141、第二线孔142中的信号导线出现脱线或移动等情况。需要说明的是，所述环形腔140与套管12内侧连通，固定胶9可通过压电振子座14内的环形腔140注入。
参照图6、7，第二线孔142端部旁侧连通设置有凹槽144，凹槽144位于环形腔阶梯面143上，第二信号导线62穿过第二线孔142，弯折第二信号导线62的端部后置于凹槽144内，用于与压电振子100端面上的电极电性连接。
本发明中在第二线孔142端部旁侧连通设置一凹槽144，凹槽144与所述压电振子100端面上的电极相对设置，因此从第二线孔142引入的第二信号导线62可通过弯折并穿过凹槽144与所述压电振子100端面上的电极连接。
参照图6、8、9，装置还包括密封层7，密封层7是具有中心通孔的弹性结构，密封层7填充第一信号导线61、第二信号导线62与旋帽8内壁之间的间隙，并且填充套管12端面与旋帽内腔阶梯面82之间的间隙。
密封层7在密封的同时，也起到保护信号导线的作用，此外当压电振子100与测量管的侧壁相抵时，通过压缩密封层7，使压电振子100在周向上受到基本均匀的装配压力，使其与测量管壁良好接触，保证超声波的传播效率。
非焊接式压电振子连接装置的使用方式为：在旋帽8内置入密封层7，将第一信号导线61和第二信号导线62穿过密封层7进入旋帽内腔81；使第一信号导线61穿过第一槽口121和第一线孔141；使第二信号导线62穿过第二槽口122和第二线孔142，将第二信号导线62的端部弯折后置于凹槽144内；将与压电振子座14固连的套管12置入旋帽内腔81，套管12轻微压迫密封层7使其抵接在旋帽内腔阶梯面82上；调整信号导线的长度和位置，使信号导线自压电振子100外部平滑地延伸至线孔；经环形腔140向压电振子座14内部注入固定胶9，使信号导线的长度和位置固定；接下来安装压电振子100，使压电振子100的具有两个电极的一端朝向压电振子座14，先将压电振子100的侧面压迫第一信号导线61，并使压电振子100侧面上的Pb端电极与第一信号导线61充分接触，再将压电振子100的其余部分压入压电振子座14，压电振子100嵌入压电振子座14固定，压电振子100将第二信号导线62压迫于凹槽144上并且使端面上的Pa端电极与第二信号导线62充分接触；最后将非焊接式压电振子连接装置整体成对的固设于测量管两侧壁面上，且对连接装置施加一定的周向压紧力，以使压电振子100压迫于测量管的壁面。
实施例二：
参照图9，本实施例提供了一种超声流量检测装置，包括实施例一所述的非焊接式压电振子连接装置，还包括传感器壳体120，所述传感器壳体120内部具有中空流路供流体介质流通，所述传感器壳体120两侧相对设置有第一安装管123、第二安装管124，第一安装管123、第二安装管124内各自安装非焊接式压电振子连接装置；非焊接式压电振子连接装置将压电振子100压迫在传感器壳体120壁面上，压电振子100与传感器壳体120壁面之间涂覆耦合剂。
具体地，旋帽8外侧设置有外螺纹，第一安装管123、第二安装管124内均设置有与外螺纹相适配的内螺纹，即非焊接式压电振子连接装置通过螺纹连接于传感器壳体120两侧的安装管内。
即，将非焊接式压电振子连接装置整体通过螺纹固定安装于安装管中，装有压电振子100的压电振子座14前部抵到传感器壳体120侧壁。螺纹连接具有较均匀的周向压紧力，并且便于调整压紧力的大小；螺纹连接的压紧力经过密封层7和压电振子座14的传递，作用于压电振子100上，使压电振子100与传感器壳体120紧密贴合；压电振子100与传感器壳体120的接触面上涂覆耦合剂；使压电振子100与传感器壳体120充分致密接触，保证超声波能够良好地穿过传感器壳体120，在压电振子100和被测介质之间高效传播。
传感器壳体120、第一安装管123与第二安装管124采用注塑等一体成型的方式加工为一个整体，减少安装管与传感器壳体120间的安装面，更好地保证传感器壳体120传播超声波的效率和均一性。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。