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1、基于压电陶瓷材料的换能器可靠性研究左富强，张本华，王欣欣，姚灵（宁波水表股份有限公司，浙江 宁波 315032）摘 要：随着超声波水流量仪表在市场中逐渐推广应用，基于压电陶瓷材料的换能器的研究也越来越深入；由于水流量仪表使用环境通常较为苛刻，产品的可靠性要求较高；本文对超声波水流量仪表的换能器可靠性进行研究，提出换能器的设计方案，并提出四种可靠性试验方法，对换能器可靠性进行试验。关键字：压电陶瓷；换能器；可靠性Research on reliability of transducer based on piezoelectric ceramic materialsZUO Fuqiang，ZHA
2、NG Benhua，WANG Xinxin，YAO Ling（Ningbo Wate Meter Co.,Ltd，Ningbo 315032，Zhejiang，China）Abstract: With the ultrasonic water flowrate meter has been used widely in the market, transducer based on piezoelectric ceramic materials research also more and more deeply; because of water flowrate meter using e
3、nvironment is usually more demanding, products requiring high reliability. This paper on ultrasonic water flowrate meter by research proposed transducer design, and puts forward the four kinds of reliability tests, and tests the reliability of transducer.Keywords: Piezoelectric ceramic，Transducer，Re
4、liability1 引言基于压电陶瓷材料的换能器目前在水流量仪表中，主要用于超声波水表（Ultrasonic Water Meter，简称为UWM）和超声波流量计（Ultrasonic Flowrate Meter，简称为UFM），统称为超声波水流量仪表。超声波水流量仪表的原理是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的高精度仪表1，本文探讨的是基于超声波传播时间差法的流量计量仪表中压电陶瓷材料的换能器的可靠性和稳定性。目前，超声波水流量仪表的研究与探索经历了将近一个世纪的历史，伴随着单片机技术、通信技术、互联网技术的不断出现和快速发展，使得超声波水流量仪表向高性能、智能化的方向发展。近10年
5、来，随着微处理器技术、高速数字信号处理技术、芯片技术等的发展以及新的超声换能器材料、加工工艺的提高，超声波水流量仪表技术取得了长足的发展，其计量精度越来越高，量程比越来越宽，功耗越来越低1。经研究发现，超声波水流量仪表的可靠性和稳定性主要取决于换能器的稳定性和可靠性，换能器的稳定性和可靠性研究是重中之重，因此本文从现在主流的基于压电陶瓷材料的换能器进行着手研究。2 超声波水流量仪表测量原理简述目前超声波水流量测量方式有非常多种，如时差法、速差法、频差法、多普勒法等等1，在水计量行业，大多采用时差法或速度差法测量管道内水流体的流速、流量等参数，进而积算成用水量的实际体积值。超声波水流量仪表由壳体
6、、基于压电陶瓷材料的换能器、计时电路和微处理器组成，时差法的工作原理见图1，S1和S2为基于压电陶瓷材料的换能器，用于发射和接收超声波信号，超声波顺流、逆流传播时间、时间差和水流线平均速度的计算公式分别见式（1）（5）。图1 超声水表工作原理图 (1) (2) (3) (4) (5)式中，t1超声波顺流传播时间； t2超声波逆流传播时间； t超声波顺流逆流时间差； c超声波在水中传播速度； v水流线平均速度； D管道内径； 超声换能器中心连线与管道直径方向的夹角； 超声换能器中心连线与管道轴心的夹角。从上述原理可以看出，超声波水流量仪表计量准确的关键是时间测量的精度与可靠性，其决定因素由计时电
7、路的精度和基于压电陶瓷材料的换能器对超声波信号收发的响应，而且换能器的收发响应取决定性作用，换能器发射和接收信号的延迟和波形畸变都会导致最终时间测量的精度。3 基于压电陶瓷材料的换能器指标基于压电陶瓷材料的换能器的性能指标，主要包括绝缘电阻、静态电容、谐振阻抗、谐振频率、品质因素、接收响应等2,3,4,5,6，其中绝缘电阻和静态电容可由LCR测试仪检测；谐振阻抗、中心频率、品质因素等可由阻抗分析仪进行检测，换能器的阻抗特性曲线所示；接收响应主要测试换能器接收信号的幅值，通常采用示波器进行检测7。3.1绝缘电阻压电陶瓷材料是具有压电效应的特殊材料，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产
8、生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。该电荷相对较小，因而压电陶瓷材料的换能器的绝缘电阻要求比较高，尽量减少电荷的释放，通常换能器在密封封装后，绝缘电阻就不会发生变化。3.2静态电容换能器的静态电容由压电陶瓷材料的尺寸大小和介电常数决定，所采用的引线对其电容量也有影响，因而在压电陶瓷材料尺寸确定的情况下，静态电容主要是反映介电常数。介电常数不同，对换能器的接收响应的灵敏度有影响。静态电容量的大小，跟后续设计匹配电路有较大关系，也间接的决定了换能器的发射接收灵敏度。3.3谐振阻抗谐振时的动态阻抗，振动系统工作时的电阻值。通常，换能器在谐振频率附近的等效电路是由电阻、电容或电感的
9、简单串并联，用来表征换能器固有特性。换能器的阻抗、指向性、灵敏度、发射功率、尺寸等都是频率的函数。换能器的阻抗是一个复数，一般可表示成：Z(w)=R(w)+jX(w) (6)3.4谐振频率使压电振子产生谐振的频率点。一般说来，对发射换能器要计算它在谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的性能指标，在这个频率及其附近有最大的发射效率。对于接收换能器的谐振频率应远高于接收频带的上限，以保证宽带内有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及其以下频段内的接收响应。3.5品质因素换能器的品质因素包括机械品质因素和电学品质因素两部分，可以通过换能器的等效电路图和等效机械图来求得换能器的等效机械品质因素和电学品质
10、因素。换能器的品质因素与其工作频率宽度和传输能量的效率有密切相关；机械品质因素指在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比；电学品质因素指 电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，是一个无量纲的物理量。3.6接收响应换能器的接收响应是至关重要的，换能器接收可以由接收灵敏度和接收幅值来衡量。接受幅值通常用接收信号的峰峰值来衡量；接收灵敏度则主要由换能器的自由场电压灵敏度Mu()决定，指的是接收换能器在入射声波的作用下，输出电压U()与在声场中引入换能器之前该点的自由场声压Pf()的比值，即 (7)综上所述，衡量换能器性能的指标比较多，大部分的指标随压电陶瓷材料的选择而确定，还有部分
11、随着换能器的整体封装而确定。本文重点从静态电容、谐振频率、接收幅值三个方面，考核基于压电陶瓷材料换能器的稳定性和可靠性。4 基于压电陶瓷材料的换能器设计基于压电陶瓷材料的换能器的核心元件是压电陶瓷，通过引线焊接、粘接、灌封等，将换能器封装在塑料外壳上，作成一个防水密封的有机整体。其结构图如下图2所示：图2 换能器结构图4.1压电陶瓷压电陶瓷是核心元件，其各项性能指标直接决定换能器的性能，因而采用国内较好的压电陶瓷生产厂家的成品。压电陶瓷焊接时必须注意，焊点越小越好，焊接速度越快越好，焊点位置越靠边越好8。4.2外壳超声波水流量仪表通常是用于自来水供水，水质相对较好，并且考虑最终换能器的可靠性，
12、外壳采用了高强度塑料，且其超声波穿透性能较好。4.3 粘合剂粘合剂既起到将压电陶瓷粘结到外壳内的作用，也起到超声波在不同材料间的耦合作用，减少超声波在不同材料间传播的反射，因而粘合剂采用了国外著名厂家的高强度粘合胶，涂覆时要求胶量越少越好9。4.4 背衬背衬是用于吸收超声波余震，减少从发射状态到接收状态转换时间，材料要求硬度越高越好，本文选用高硬度的环氧树脂，能起到吸收超声波余震的效果，同样也起到密封的效果，可以将压电陶瓷完整的密封在一起，提高了可靠性。4.5 密封板密封板是将导电接线柱一次注塑成型，在灌封胶的作用下起到密封作用。4.6 灌封胶由于超声波水流量仪表的工作环境相对恶劣，特别大口径
13、产品，更是用于地下管道井，因而换能器在封装时采用环氧树脂灌封胶，尽量保证产品密封防水性能，进一步提高了最终产品的可靠性。5 基于压电陶瓷材料的换能器可靠性试验按照上述的换能器设计方法，制作了10只样品（编号110），制作过程严格要求工艺，比如焊接要求、粘合剂量等。由前述，超声波水流量仪表的可靠性主要取决于基于压电陶瓷材料的换能器可靠性，为了验证换能器的可靠性，需要进行各项可靠性试验，主要包括IP68密封性试验、反复高温老化试验、反复高低温冲击试验、反复水压冲击试验等，尽量模拟现场使用环境，并加速换能器的老化，以验证换能器的长期工作的可靠性和稳定性。因此对10只样品进行上述四项试验，并在试验前和
14、试验后进行换能器的静态电容、谐振频率、接收幅值进行测量，看各种试验对换能器性能的影响。制作完成后，首次测试的各项性能指标如下表1所示：表1 换能器首次性能指标编号12345678910静态电容(pF)575585594580578593588579590584谐振频率(MHz)1.012 1.009 1.010 1.013 1.023 1.009 1.010 1.003 1.013 1.008 接收幅值(V)1.551.51.471.431.151.421.561.661.421.55.1 IP68密封性试验在IP68密封试验罐中进行密封试验，模拟水下2米（通过加压实现），并且浸泡48小时，屏
15、蔽线端不做密封处理，同时测试屏蔽线的可靠性。试验进行5个周期，每个周期中间取出样品，置于室温下两天。试验后测试的换能器性能指标如下表2所示：表2 换能器密封试验后性能指标编号12345678910静态电容(pF)574585592583578592589580593583谐振频率(MHz)1.011 1.008 1.010 1.012 1.022 1.009 1.010 1.002 1.010 1.007 接收幅值(V)1.521.471.461.421.161.421.551.521.521.465.2 反复高温老化试验单次高温老化，不足以满足换能器工作的恶劣环境，因而采用10个周期的反复高
16、温老化（高温温度为60，每次高温持续6小时），每个周期间将换能器随高温试验箱自然降温，并放置一天。完成10个周期的高温老化试验后，测试其性能指标下表3所示：表3 换能器反复高温老化后性能指标编号12345678910静态电容(pF)575587596579580594589579593584谐振频率(MHz)1.008 1.008 1.010 1.012 1.021 1.007 1.010 1.001 1.009 1.007 接收幅值(V)1.491.471.441.451.181.441.581.661.521.55.3 反复高低温冲击试验高低温冲击主要是针对实际使用时的温度变化，超声波水流
17、量仪表通常要求使用的年限在10年以上，因而采用10个周期的高低温冲击试验（高温60持续3小时，低温-20持续3小时，高低温度切换1小时），每个周期间将换能器随高低温试验自然回温，并放置一天。完成10个周期的高低温冲击试验后，测试其性能指标如下表4所示：表4 换能器高低温冲击后性能指标编号12345678910静态电容(pF)576585595580578591588579590584谐振频率(MHz)1.011 1.009 1.010 1.012 1.012 1.008 1.010 1.003 1.013 1.008 接收幅值(V)1.531.481.451.441.181.391.571.6
18、61.611.515.4 反复水压冲击试验水压冲击是模拟实际使用时，供水管道中可能存在短时水锤，可能会对换能器有一定影响，通过反复的水压冲击，来测试换能器在实际工作中的稳定性和可靠性。水压冲击试验采用专用的水表耐压试验装置进行，快速加压到3.2MPa持续1分钟，然后释放压力，5分钟后重新加压，如此循环10个周期。完成10个周期的水压冲击，测试其性能指标如下表5所示：表5 换能器水压冲击后性能指标编号12345678910静态电容(pF)575586594582578592589580593585谐振频率(MHz)1.0131.0121.0131.0151.0231.0101.0131.0231
19、.0131.010接收幅值(V)1.551.481.451.441.191.441.531.661.511.526 结束语通过上述四个可靠性试验结果，可以看出经过四个多周期的反复试验，采用本文的换能器设计方案，在整体密封性能、抗温度变化和水压波动变化影响时状态都比较好，换能器各项性能指标在试验后均无明显变化，与进行各项试验之前的指标都比较接近，说明其可靠性较高，能达到长期可靠工作，进而保证了超声波水流量仪表的长期稳定可靠工作，对换能器的可靠性研究达到了预期效果。 上述可靠性试验方法，不仅可以用于基于压电陶瓷材料的换能器，还可以推广到其他传感器或者产品上，能对产品可靠性评估提供一定的参考价值。参
20、考文献1 姚灵编著. 电子水表传感与信号处理技术M. 北京：中国质检出版社，2012年2 冯若主编. 超声手册M. 南京：南京大学出版社，1999年3 姚灵，王让定，左富强等.超声水流量检测换能器使用特性及评价指标研究J.计量学报，2014，35(2):151-1564 姚灵，左富强，王欣欣. 超声水表换能器综合性能指标的建立J. 测试技术学报，2016,30(3):260-2665 姚灵，王让定，左富强等. 超声水流量检测换能器性能指标及试验装置研究J. 仪表技术，2013(8):1-36 姚灵、王让定、左富强等.一种超声水流量换能器综合性能实验装置及其使用方法P.201210573562.6,2012.12.267 周福洪，郑士杰，姚青. 新型换能器的发展概况及应用前景J. 应用声学，1990,9(6):1-68 王荣津主编，水声材料手册M，科学出版社，1983年9 沈建国，黄晓，熊艳. 压电换能器的粘结特性研究J. 石油仪器，2007,21(2):68-69该论文发表于2017年第1期仪表技术期刊。7
