专利名称：具有到压电晶体的稳健电连接的换能器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及液体和气体超声波流量计。更加具体地，本发明涉及在超声波流量计中采用的换能器到压电晶体的稳健的电连接。
背景技术：
在已经从地面移除了碳氢化合物之后，液体流(或者液相或者气相)经由管线而被从一个地方输送到另一个地方。期望准确地了解在流中流动的流体量，并且当流体被转手时或者在“密闭输送”期间要求特定的准确度。然而，即使在并未进行密闭输送的情况， 测量准确度也是令人期望的，并且在这些情况中，可以使用超声波流量计。超声波流量计通常包括两个或者更多个换能器组件，每一个换能器组件均被紧固在流量计本体中的端口内部。流量计本体还可以被称作管件。为了在流量计内容纳输送的流体，连接器被紧固在管件中的每一个换能器端口的外端上。因此，管件和端连接器形成容纳通过流量计流动的流体的压力边界和罩体。为了测量通过流量计的流体流量，一对换能器组件沿着管件的内表面定位，从而换能器组件在流经管件的孔的流体相对侧上彼此面对。每一个换能器组件均包括压电元件。当交流电被施加到成对换能器组件中的第一换能器组件的压电元件时，压电元件通过经由流经流量计的流体来辐射超声波而做出响应。当波在成对换能器组件中的第二换能器组件的压电元件上入射时，第二换能器组件通过产生电信号而做出响应。某段时间之后，交流电被施加到第二换能器组件的压电元件，并且第二压电元件通过经由流量计中的流体向第一换能器组件辐射超声波而做出响应。当超声波在第一换能器组件的压电元件上入射时，换能器组件通过产生电信号而做出响应。以此方式，换能器组件穿过液体流来回地传输和接收信号。每一个换能器组件均被连接到通过端连接器延伸到管件外部的电缆和远程位置， 诸如通常被安装到管件外侧的电子设备基壳。电缆将由特定换能器组件的压电元件产生的电信号传送到位于电子设备基壳或者电子设备封装内的采集板，在此处信号可以被处理并且随后被用于确定通过流量计的流体流量。到压电元件的电连接允许电信号来往于压电晶体的传送。在超声波流量计的操作期间，温度波动是在到压电元件的电连接上的应力的常见来源。例如，液体超声波流量计能够具有-50到+150°C或者更高的温度额定值并且它们的换能器需要能够在整个温度范围内保持功能。另外地，测量诸如液态天然气(LNG)的低温液体的超声波流量计可能经历在环境温度(大致20°C )或者更高温度和LNG的温度(大致-16rC )或者更低温度之间的温度变化。虽然做出了努力以保持低的温度变化率(即，保持每单位时间的温度变化是低的)，但还是可能发生快速的温度变化(即，热冲击)。由于构成换能器的各种材料的热膨胀系数(CTE)的差异，温度变化能够在电极连接上施加应力。压电晶体包含两个电极——负电极和正电极。通常，通过将导线直接地软焊到每一个电极实现到每一个电极的电连接。使用环氧树脂将压电晶体在换能器组件的晶体保持器中保持到位，环氧树脂还用作后匹配层以通过增加换能器的带宽而提高声学性能。环氧树脂经常被用于封装全部或者部分的压电晶体和相关联的导线。除了提高声学性能，环氧树脂还有助于保护压电晶体、导线和电连接免受腐蚀和机械冲击。然而，环氧树脂封装的确具有下降趋势，因为通常环氧树脂的CTE基本不同于压电晶体的CTE。环氧树脂通常具有15到IOOppm/°C的CTE，而诸如锆钛酸铅(PZT)的压电材料通常具有大约 3.6ppm/°C的CTE。对于给定的温度变化，环氧树脂尺寸比压电晶体尺寸更大地改变。净效应在于，环氧树脂的尺寸变化趋向于在导线附接到电极的点处施加作用力并且能够引起电极材料的一部分从压电材料断离。到电极的电连接趋向于被保持为尽可能小的的事实进一步恶化了应力问题，因为它沿着电极的相对较小表面面积集中应力。例如，如果电连接是软焊接头，则它通常被保持为尽可能小以减轻电极和压电晶体的加热，因为来自烙铁的过多的热量能够对于电极或者压电材料造成损坏。如果利用导电环氧树脂实现电连接，则通过展开导线内的各条线股以增加与电极的接触面积，能够使得电连接更大一点，但是这的确增加了形成电连接的困难。形成到电极的电连接的一种替代方法是使用弹簧或者弹簧加载机构，该弹簧或者弹簧加载机构将电连接偏压成与电极接合从而该连接能够在压电晶体的电极上自由地滑动。然而，由于电极材料和/或连接机构的腐蚀引起连接的电阻随着时间增大，这种类型的电连接可能随着时间而劣化。因此，在本技术领域中仍然需要一种到换能器组件的压电元件的电极更加稳健的电连接。如果电连接提供在相对较宽的温度和应用范围中经受在操作期间经历的热和机械应力的潜能，则该电连接将会特别好地得到接受。
发明内容
在一个实施例中利用一种用于超声波流量计的压电组件解决了在本技术领域中的这些和其它需要。在实施例中，该压电组件包括压电元件，该压电元件包括第一面和第二面。另外，该压电组件包括接合第一面的第一电极。此外，该压电组件包括接合第二面的第二电极。进而，该压电组件包括附接到第一电极的导电垫片连接器。而且，该压电组件包括电耦接到垫片连接器的第一导线。在另一实施例中利用一种用于测量流经管线的流体的超声波流量计解决了在本技术领域中的这些和其它需要。在实施例中，该超声波流量计包括管件，该管件包括通孔和从该管件的外表面延伸到该通孔的换能器端口。另外，该超声波流量计包括置放在换能器端口中的换能器组件。该换能器组件包括具有中心轴线、第一端部和与第一端部相对的第二端部的壳体。该壳体还包括在第一端部和第二端部之间轴向延伸的通孔。此外，该第二端部包括通向壳体的通孔的开口。该换能器组件进一步包括至少部分地置放在壳体的通孔中并且通过开口从那里轴向延伸的晶体保持器。该晶体保持器与壳体共轴地对准并且具有被置放在壳体的通孔中的第一端部和壳体远侧的第二端部。另外，该换能器组件包括耦接到晶体保持器的第二端部的压电组件。该压电组件包括沿着中心轴线从管件的通孔远侧的第一面延伸到管件的通孔近侧的第二面的压电元件。此外，该压电组件包括置放在第一面上的第一电极。进而，该压电组件包括置放在第二面上的第二电极。而且，该压电组件包括附接到第一电极的垫片连接器。另外，该压电组件包括电耦接到垫片连接器和第一电极的第一导线，以及电耦接到第二电极的第二导线。因此，在这里描述的实施例包括旨在解决与某些现有器件、系统和方法相关联的各种缺点的特征和优点的组合。对于本领域技术人员而言，在阅读以下详细说明后，并且通过参考附图，上述的各种特征以及其它特征将是显而易见的。附图简要说明为了详细地描述本发明的优选实施例，现在将对附图进行参考，其中
图1是超声波流量计的实施例的横截面顶视图；图2是图1的流量计的示意侧视图；图3是图1的流量计的示意顶视图；图4是根据在此描述的原理的组件的实施例的分解视图；图5是图4的换能器罩体的横截面视图；图6是图4的换能器组件的放大透视图；图7是图4的换能器组件的横截面视图；图8图7的压电组件的正视图；图9是沿着线9-9截取的图8的压电组件的横截面视图；图10是图7的晶体保持器和压电组件的局部分解视图；并且图11是压电组件的实施例的局部横截面视图。
具体实施例方式以下讨论针对本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一个或者多个可能是优选的，但是所公开的实施例不应该被解释成或者被以其它方式用于限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将会理解，以下说明具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅仅旨在示例该实施例，而非旨在暗示包括权利要求的本公开的范围被限制为该实施例。贯穿以下说明和权利要求地使用了某些术语来指代具体特征或者构件。如本领域技术人员可以理解地，不同的人员可以利用不同的名称指代相同的特征或者构件。本文献并非意在以不同的名称而非功能在构件或者特征之间加以区别。绘图并不必按照比例。 为了清楚和简洁起见，某些特征和构件在这里可能以夸大的比例或者以某种示意的形式示出，并且可能没有示出常规元件的某些细节。在以下讨论中并且在权利要求中，术语“包括(including)，，和“包含 (comprising) ”以开放的方式使用，并且因此应该被解释成意味着“包括但是不限于...”， 而且术语“耦接(couple或couples)”旨在表示或者间接或者直接的连接。因此，如果第一器件耦接到第二器件，则该连接可以是通过直接的连接，或者是通过经由其它器件、构件和连接的间接连接。另外，如在这里所使用地，术语“轴向(axial)”和“轴向地(axially)” 通常表示沿着或者平行于中心轴线(例如，本体或者端口的中心轴线)，而术语“径向 (radial) ”和“径向地(radially) ”通常表示垂直于中心轴线。例如，轴向距离指的是沿着或者平行于中心轴线测量的距离，而径向距离表示垂直于中心轴线测量的距离。现在参考图1-3，示出了超声波流量计10的实施例的示意视图。流量计10包括适合于安置在管线的段之间的流量计本体或者管件11。管件11在第一或者上游端部Ila 和与第一端部Ila相对的第二或者下游端部lib之间沿着中心轴线15延伸。如在图1和 2中最好地示出的，在该实施例中，每一个端部lla、b每一个均分别地包括安装法兰12、13。 另外，管件11具有预定尺寸并且限定中心贯通通道14，中心贯通通道14在端部11a、b之间延伸并且被测量流体(例如，气体和/或液体)通过其流动。如在图1和3中所示，在该实施例中，流量计10包括置放在沿着管件11的长度定位的换能器端口中的四对换能器——分别置放在换能器端口 30a、30b中的第一对换能器 20a、20b，分别置放在换能器端口 30c、30d中的第二对换能器20c、20d，分别置放在换能器端口 30e、30f中的第三对换能器20e、20f，和分别置放在换能器端口 30g、30h中的第四对换能器 20g、20h。每一个换能器(例如，换能器20a、20b、20C、20d、20e、20f、20g、20h)均是声收发
器，并且更加具体地是超声波收发器，这意味着每一个均产生并且接收具有高于大约20千赫的频率的声能。声能可以由每一个换能器中的压电元件产生和接收。为了产生声信号， 压电元件由正弦信号来电激励，并且它通过振动做出响应。压电元件的振动产生通过被测量流体行进到换能器对中的相应的换能器的声信号。类似地，在被声能(即，声信号和其它噪声信号)冲击时，接收压电元件振动并且产生正弦电信号，该正弦电信号由与该流量计相关联的电子设备检测、数字化和分析。每一对换能器中的换能器均穿过贯通通道14彼此相对地置放，并且彼此来回地传送声信号。具体地，换能器20a、20b穿过贯通通道14彼此相对地置放，并且彼此来回地传送声信号；换能器20c、20d穿过贯通通道14彼此相对地置放，并且彼此来回地传送声信号； 换能器20e、20f穿过贯通通道14彼此相对地置放，并且彼此来回地传送声信号；并且换能器20g、20h穿过贯通通道14彼此相对地置放，并且彼此来回地传送声信号。在每一对相对的换能器20a,20b ；20c、20d ；20e、20f ；和20g、20h之间分别存在声信号路径22,23,24,25, 有时被称作“弦”或者“弦路径”。每一对换能器和相关联的换能器端口均对应于单一弦路径。在顶视图中，每一条弦路径22、23、M、25均相对于不同的弦路径22、23、M、25不严格地形成“X”的形状。如在图2中最好地示出地，每一对换能器及其相应的弦路径22、23、M、25均置放在管件11中不同的“层级”处。一起参考图2和3，成对的换能器被布置为使得分别对应于弦22和23的下面两对换能器20a、20b和20c、20d在顶视图中形成“X”的形状，并且分别对应于弦M和 25的上面两对换能器20e、20f和20g、20h也形成“X”的形状。现在参考图1，理解到流量计10的每一对换能器均被类似地构造和布置，将更加详细地描述第一对换能器20a、20b。在顶视图中弦22相对于中心线15呈锐角θ置放。弦 22的长度是在相应的一对换能器20a、20b的面之间的距离。如在图1中的说明性的一对换能器20a、20b中所示，点沈和27限定分别由换能器20a、20b产生的声信号进入和离开流经管件11的通道14的流体的位置(即，在端口 30a、30b和管件11的通道14的交叉点处)。换能器20a、20b的位置可以由角度θ、在换能器20a、20b之间测量的第一长度L、对应于点沈、27之间的轴向距离的第二长度X和对应于管件11的内径的第三长度“d”来限定。在大多数情形中，距离d、X和L在流量计(例如，流量计10)的制造期间被精确地确定。 此外，对换能器20a、20b通常分别放置在距点26、27特定距离处，而与流量计尺寸(即，管件尺寸)无关。诸如原油或者天然气的流体以速度剖面3在方向2流动。速度向量4-9示意通过管件11的气体速率朝向中心线15增加。仍然参考图1所示的说明性的一对换能器20a、20b，起初，下游换能器20a产生穿过管件11中的流体传播的声信号，并且然后声信号在上游换能器20b上入射并且由其检测。在短时间之后(例如，在几微秒内)，上游换能器20b产生穿过管件11中的流体反向传播的返回声信号，并且然后返回声信号在下游换能器20a上入射并且由其检测。因此，沿着弦路径22，换能器20a、20b以声信号2 进行“一发一收”。在操作期间，这个序列可以每分钟发生数千次。当声能从第一换能器20a行进到第二换能器20b时，它逆着流体流(S卩，向上游)行进，并且当声能从第二换能器20b行进到第一换能器20a时，它随着流体流(即， 向下游)行进。声能从一个换能器行进到另一个所用时间被称作“传递时间”。在换能器20a、20b 之间的声信号2 的传递时间部分地依赖于声信号2 相对于流体流是向上游还是向下游行进。用于向下游(即，与流体流相同的方向)行进的声信号的传递时间小于它当向上游 (即，逆着流体流)行进时的传递时间。能够使用上游和下游传递时间来计算沿着信号路径的平均速度和在被测量流体中的声速。特别地，对于弦(例如，弦22)的上游和下游传递时间之差被用于确定对于该弦的平均流体流动速度。另外地，还能够根据上游和下游传递时间的总和来确定对于该弦的平均声速。如果流量计包含多条弦，则通过对平均弦流动速度数值积分(即，获取其适当地加权的平均值)而获得关于该流量计的平均流动速度。那么， 通过流量计的体积流量是关于该流量计的平均流动速度和该流量计的横截面积的乘积。通常，超声波流量计能够具有一条或者多条声信号路径。例如，如在图2和3中最好地示出地，在该实施例中，超声波流量计10实际上包括在管件11内的变化的层级处的四条弦路径22,23,24,25和分别相关联的声信号22a、23a、Ma、25a。每一条弦路径22、23、 24,25均对应于类似于之前描述的第一换能器对20a、20b交替地作为发射器和接收器的换能器对。还在图2中示出，控制声信号产生并且从四条弦路径22、23、M、25获取并且处理数据的电子设备控制封装或者外壳80。可以在每一条弦22、23、M、25处确定流体的流动速度以获得弦流动速度，并且弦流动速度被组合以确定对于整个管道的平均流动速度。根据平均流动速度，在管件并因此在管线中流动的流体的量可以得到确定。现在参考图4，示出了用于发送和接收声信号的换能器组件200的实施例。换能器组件200置放在超声波流量计的换能器端口(例如，流量计10的端口 30a)内并且耦接于此。例如，换能器组件200可以用于之前描述的换能器20￡1、2013、20(3、206、2(^、2(^中的任何一个。在该实施例中，换能器组件200包括线束210、锁紧螺母220、换能器罩体230和换能器300。线束210包括电缆211和连接器212。电缆211具有耦接到电连接器212的第一端部或者远端211a和耦接到流量计的电子设备封装的第二端部(未在图4中示出)。连接器212通过锁紧螺母220中的孔隙电耦接到换能器300。电缆211和连接器212 —起允许在换能器300和流量计电子设备之间传送电信号。线束210和特别地连接器212利用锁紧螺母220和换能器罩体230耦接到换能器端口(例如，端口 30a)。
换能器300轴向地叠缩到换能器罩体230中并且至少部分地被锁紧螺母220保持到位。当换能器300和换能器罩体230接合时，换能器300的压电组件400声耦合到被耦接到罩体230的匹配层231。匹配层231在压电元件410和流过超声波流量计的流体之间
提供声耦合。现在参考图5，示出换能器罩体230的截面视图。罩体230是大体柱形的并且沿着中心或者纵向轴线235从第一或者开口端230a延伸到第二或者闭合端230b。另外，罩体 230包括在端部230a、b之间延伸的通孔232。声匹配层231在第二端部230b处被置放在通孔232中并且阻塞端部230b。在该实施例中，在匹配层231和罩体230之间形成环形密封237。因此，通孔232在罩体230内限定从开口端部230a轴向地延伸到匹配层231的内部腔室或者空间233。匹配层231具有面向腔室233的内侧或者内表面231a和暴露于流过流量计的流体的外侧或者外表面231b。罩体230还包括径向外部或者外螺纹234和一对环形密封235，每一个密封235均置放在罩体230的径向外表面中的环形凹槽或者凹部236中。螺纹234允许罩体230与管件中的换能器端口螺纹接合。一旦被置放在换能器端口中，密封235便在罩体230和管件之间径向定位，并且此外，以密封方式接合罩体230和管件，由此限制和/或防止流体在罩体230和管件之间轴向流动。虽然罩体230已经被描述为螺纹耦接到换能器端口，但是通常地，可以使用任何适当的手段将换能器罩体(例如，罩体230)耦接到管件，包括而不限制于焊接连接。参考图4和5，换能器300插入开口端部230a中并且通过内部腔室233和通孔232 轴向地推进，直至邻靠声匹配层231的内表面231a的压电组件400。为了提供良好的声耦合，声匹配层231的内表面231a和外表面231b是大体平坦的和大体相互平行的。在某些实施例中，表面231a、b具有在0. 001英寸内的或者更好的平坦度和在0. 003英寸内的或者更好的平行度。另外地，换能器300在罩体230中共轴地定位，从而压电元件410紧靠声匹配层231径向居中。在某些实施例中声匹配层231具有基本等于以换能器的工作频率在匹配层内的声音的四分之一波长的奇数倍(1/4、3/4、5/4、7/4，等)的(平行于罩体230的轴线235测量的)轴向厚度。现在参考图6和7，换能器300具有中心或者纵向轴线350并且包括外部罩体 301，一对绝缘的导线340a、b，弹簧390和压电组件400。如之前描述地，换能器300在换能器罩体230内共轴地置放并且起到接收和传输用于估计流过超声波量计的流体的体积流量的声信号的作用。细长罩体301是大体筒形的，具有与轴线350 —致的中心轴线。在该实施例中，罩体301包括两个部件——大体筒形的换能器壳体302和耦接到壳体302的大体筒形的晶体保持器322。保持器322和壳体302每一个均具有与轴线350 —致的中心轴线。换言之，保持器322和壳体302共轴地对准。壳体302沿着轴线350从第一端部30 轴向地延伸到第二端部302b，并且包括在端部302a、b之间延伸的通孔303和沿着径向向内延伸到通孔303中的环形法兰或者肋片304。环形法兰304限定接合弹簧340 —端的底座305，弹簧340轴向延伸进入通孔303。 通孔303被端帽306在端部30 处封闭，然而，端部302b限定接纳保持器322的开口 307。 端帽306保持从端部30 通过端帽306轴向延伸的一对凸形电端子308a、b。因此，端帽306还可以被称作端子保持器306。端子308a电耦接到导线340a，并且端子308b电耦接到导线340bο填充材料313填充端部30 附近的通孔303的一个部分并且包围导线308a、b。 填充材料313优选地与端帽306、延伸进入通孔303的端子308a、b的部分、壳体302的径向内表面和导线308a、b形成粘着结合以将这些构件中的每一个相对于彼此牢固地保持到位。通常，填充材料(例如，填充材料31 可以包括任何适当的材料，诸如塑料或者环氧树脂。在该实施例中，填充材料313是环氧树脂，环氧树脂以可流动液体形式通过入孔或者端口 309注入到通孔303中并且然后固化并且硬化成坚硬固体。入孔309通过壳体302从通孔303径向延伸到壳体302的径向外表面。仍然参考图6和7，壳体302还包括通过壳体302从通孔303径向延伸到壳体302 的径向外表面的细长贯通槽310。细长槽310沿着中心轴线311从第一端部310a延伸到第二端部310b。轴线311平行于轴线350。在该实施例中，壳体302还包括连接键311，连接键311帮助确保换能器组件200为了与连接器212耦接而被正确地定向。端子保持器306 可以包括接收并且接合连接键311的槽312，由此防止端子保持器306相对于连接器212旋转。仍然参考图6和7，晶体保持器322沿着轴线350在置放在保持器302的通孔303 中的第一端部32 和保持器302远侧的第二端部322b之间延伸。因此，保持器322部分地置放在壳体302的通孔303中并且从壳体302的端部30 中的开口 307轴向地延伸。保持器322还包括通过保持器322在端部32h、b之间轴向延伸的通孔323。在端部32 ，保持器322包括限定环形凹部325的沉孔324，环形凹部325从端部322b沿着保持器322的径向内表面轴向延伸。保持器322的径向外表面包括在保持器322的外径中限定过渡部的环形肩台326。 特别地，保持器322的外表面327包括从端部32 轴向延伸到肩台3 并且具有第一外径 D1的第一段327a，和从肩台3 朝向端部322b轴向延伸并且具有大于第一直径D1的第二外径A的第二段327b。在该实施例中，第一外径D1与端部302b处的通孔307的内径基本相同或者稍�。佣瞬�32 可以由通孔307以滑动方式收纳。然而，第二外径D2基本与壳体302的外径相同，从而当保持器322被足够地推进到通孔307中时，肩台326邻靠壳体 302的端部302b，由此防止端部32 进一步沿着轴向推进到通孔307中。仍然参考图6和7，保持器322还包括通过保持器322从外表面327的第一段327a 沿着径向延伸到通孔323的孔隙328。销钉3 置放在孔隙328中并且通过壳体302中的细长槽310延伸。销钉329固定到在孔隙328内的保持器322从而销钉3 相对于孔隙 328或者保持器322并不以平动方式或者以转动方式移动。然而，销钉329以滑动方式接合槽310。特别地，销钉3 具有与槽310的宽度基本相同或者略小的直径(垂直于轴线311 测量)。因此，销钉329限制和/或防止壳体302相对于保持器322围绕轴线350旋转，但是允许壳体302相对于保持器322轴向地移动。通过销钉329与槽310的端部310a、b的接合，在壳体302和保持器322之间的相对轴向运动受到限制。弹簧390共轴地置放在壳体302的通孔303内并且沿着轴线350在第一端部390a 和第二端部390b之间轴向延伸。第一端部390a邻靠壳体302的底座305并且第二端部 390b邻靠延伸到通孔303中的保持器322的端部32加。弹簧390、壳体302和保持器322被如此确定尺寸和构造，使得当它置放在底座305和端部32 之间的通孔303中时，弹簧 390受到压缩。然而，通过肩台3 和端部302b的接合，弹簧390的压缩受到限制。以此方式，肩台3 起到阻挡件的作用以防止保持器322进一步地插入壳体302中。另外，销钉 329和槽310的端部310b的接合防止了保持器322退出通孔303而从壳体302脱离。压电组件400在端部322b轴向耦接到保持器322。特别地，压电组件400由沉孔 3M接纳并且坐放在环形凹部325中。另外，压电组件400在端部322b延伸穿过通孔323， 由此阻塞端部322b。如将在下文中更加详细地描述地，导线340a、b耦接到压电组件400。 应该理解，考虑到保持器322相对于壳体302的轴向运动，在分别从端子308a、b延伸到压电组件400的导线340a、b中提供了一些松弛度。填充材料333填充端部322b附近通孔323的一部分并且包围导线308a、b。填充材料333优选地与压电组件400、保持器322的径向内表面和导线308a、b形成粘着结合以将这些构件中的每一个相对于彼此牢固地保持到位。通常，填充材料(例如，填充材料333) 可以包括任何适当的材料，诸如塑料或者环氧树脂。在该实施例中，填充材料333与之前描述的填充材料313相同。即，填充材料333是以可流动液体形式注入到通孔323中并且然后固化并且硬化成坚硬固体的环氧树脂。现在参考图7-9，压电组件400包括压电元件410、正电极420、负电极430和垫片连接器440。压电元件410是大体筒形的和盘形的，并且沿着中心轴线415在第一或者内部面411和与内部面411相对的第二或者外部面412之间延伸。与轴线415共轴对准的中心通孔413通过压电元件410从面411轴向延伸到面412。内部面411大体面对保持器322 的通孔323，并且外部面412大体背离通孔323。在该实施例中，面411、412是平坦的并且相互平行。通常，压电元件410可以包括任何适当的压电材料，包括但不限于锆钛酸铅(PZT)。 压电组件400共轴地耦接到保持器322从而轴线415与轴线350 —致。如在图8和9中最好地示出的，正电极420置放在面411上并且负电极430置放在面412上。在该实施例中，正电极420并不延伸到通孔413中，然而，负电极430沿着面 412并且至少部分地延伸到通孔413中。每一个电极420、430均包括分别在面411、412上喷射或者以其它方式沉积的相对薄层的导电材料，诸如银或者镍。平行于轴线415测量的每一个电极420、430的轴向厚度优选地小于0. 001英寸。在不受这个或者任何特定理论限制的情况下，当在电极(例如，电极420、430)之间施加时变电压时，在压电晶体或者元件(例如，压电元件410)中引发电�。玫绯〉贾卵沟缭穸⑶曳⑸渖�。此外，在压电元件上入射的声能导致压电元件振动并且在电极之间产生电压。现在参考图8-10，垫片连接器440包括沿着电极410置放的薄盘形基片441和以角度α远离基片441和面411延伸的延伸部或者翼片451。通常，角度α可以是任何适当的角度并且优选地在45°和135°之间。在该实施例中，角度α是90°，并且因此，翼片 451从基片441、面411和压电元件410垂直地延伸到通孔323中(图7)。在该实施例中， 基片441和翼片451是一体的和单片的。基片441包括接合正电极420的第一面442、与第一面442相对并且背离正电极 420的第二面443，和通过基片441从面442延伸到面443的孔隙444。孔隙444具有与轴线415、350共轴对准的中心轴线445。在该实施例中，面442、443是平坦的并且相互平行。
基片441沿着面442附接到正电极420。通常，可以使用允许传送电信号的任何适当的手段将基片441附接到电极420。例如，基片441可以利用诸如焊料或者导电环氧树脂的导电材料附接到电极420。为了减小由于在基片441和电极420之间出现的应力而使得在基片441和电极420之间的接头故障的可能性，基片441和附接到电极420的垫片连接器440的表面面积优选地是比较大的。例如，在该实施例中，垫片连接器440被沿着整个面442附接到电极420。在垫片连接器(例如，垫片连接器440)和垫片连接器被直接附接的电极(例如，电极420)之间的附着表面面积的程度或者大小可以由“附着表面面积比率” 量化，附着表面面积比率等于直接附接到电极的垫片连接器的表面面积与电极和垫片连接器附接的压电元件的面的总表面面积(例如，压电元件410的面411的总表面面积)的比率。关于在这里描述的实施例，附着表面面积比率优选地在0. 25和1. 00之间，并且更加优选地在0. 50和1. 00之间。在图8和9所示实施例中，附着表面面积比率是大约0. 50。如在图9和10中最好地示出地，翼片451从基片441的外边缘或者周边延伸。翼片451包括通常从第一面442延伸并且与之邻接的第一面452、通常从第二面443延伸并且与之邻接的第二面453，和导线附着插孔454。在该实施例中，导线附着插孔妨4是通过翼片451从面452延伸到面453的孔隙。此外，在该实施例中，面452、453是平坦的并且相互平行。通常，垫片连接器440可以包括能够传送电信号的任何适当的材料。然而，垫片连接器440优选地包括呈现类似于PZT的热膨胀系数(CTE)(即，大约3. 6ppm/°C )的CTE的材料。特别地，垫片连接器440优选地包括具有在-1和9ppm/°C之间，并且更加优选地在 1和6ppm/°C之间的CTE的材料。用于垫片连接器440的适当的材料的示例包括但不限于 Invar、Fe64/Ni36、FeNi36、UNS K93603、ASTM B753 T36 和 UNS K94610。现在参考图7-9，垫片连接器440在从端子308a延伸的导线340a和正电极420之间提供电连接。特别地，导线340a附接到翼片451，翼片451电耦接到正电极420。通常， 导线340a可以通过允许传导电信号的任何适当的手段附接到翼片451，包括但不限于焊料或者导电环氧树脂。在该实施例中，导线340a通过导线附着插孔妨4定位，在翼片451上向后弯曲，并且被焊料保持到位。此外，从端子308b延伸的导线340b通过孔隙444延伸到压电元件410的通孔413中，并且附接到负电极430延伸进入通孔413中的部分。通常，可以通过允许传导电信号的任何适当的手段将导线340b附接到负电极430，包括但不限于焊料或者导电环氧树脂。在该实施例中，导线340b被导电环氧树脂附接到通孔413内的负电极430，导电环氧树脂填充通孔413并且在通孔413内包围导线340b。置放在通孔413中的导电环氧树脂维持导线308b在通孔413中的位置并且将导线308b电耦接到负电极430 延伸进入通孔413中的部分。现在参考图11，示出了压电组件600的可替代实施例的截面视图。压电组件600 类似于之前描述的压电组件400。S卩，压电组件600包括压电元件610、正电极620、负电极 630，和垫片连接器640。除了压电元件610并不包括通孔(例如，通孔413)之外，压电元件610与之前描述的压电元件410相同。因此，压电元件610是大体筒形的和盘形的，并且沿着中心轴线615在平坦的第一面611和与面611相对并且平行于面611的平坦的第二面 612之间延伸。电极620、630基本与之前描述的电极420、430相同。正电极620置放在面611上并且负电极630置放在面412上。然而，因为压电元件610并不包括通孔，所以电极620和电极630这两者均不在通孔中延伸。垫片连接器640基本与垫片连接器440相同。S卩，垫片连接器640包括沿着电极 610置放的薄盘形基片641和以角度α远离基片641和面611延伸的单片延伸部或者翼片651。角度α优选地在45°和135°之间。基片641包括利用导电材料644(例如，导电环氧树脂)附接到正电极620的第一面642、与第一面642相对的第二面643，然而，基片 641并不包括任何孔隙或者通孔。基片641沿着面642附接到正电极620。翼片651从基片641的外边缘或者周边延伸并且包括大体从第一面642延伸并且与之邻接的第一面652、 大体从第二面643延伸并且与之邻接的第二面653，和导线附着插孔654。虽然示出一个垫片连接器640附接到一个电极(即，电极620)，但是第二垫片连接器(例如，垫片连接器640)能够附接到第二电极(例如，电极630)。在该实施例中，面642 附接到整个电极620和压电元件610的整个面611并且穿过那里延伸。因此，在该实施例中，附着表面面积比率是1. 0。因为在垫片连接器640和电极620之间的电连接形成在面 611的全部表面面积和与压电元件相对并且垂直于轴线615的电极620的全部表面面积之上，所以在电极620和垫片连接器640之间的连接中的任何应力均散布在电极620的整个面积上而不是在小的面积中集中。能够在坚硬环氧树脂中封装图11所示的整个组件。那么，由于压电元件610和环氧树脂的CTE的失配而引起的任何应力均在电极和垫片之间的全部接触面积之上散布，由此降低电连接故障的风险。如之前描述的，在这里描述的实施例利用垫片连接器(例如，垫片连接器440)将导线(例如，导线340a)电耦接到电极(例如，电极420)。通过利用垫片连接器，如与将导线直接附接到电极相反，在这里描述的实施例提供增大与压电元件的附着的表面面积，并且降低由于在压电元件和到压电元件的附着之间出现的应力而使得附着故障可能性的潜能。具体地，通过根据优选的附着表面面积比率增加附着表面面积，在这里描述的实施例允许应力在更大的表面面积之上散布，由此提供不易于故障的更加稳健的电连接的潜能。垫片连接器(例如，垫片连接器440)的弯曲几何形状和在垫片连接器的基片(例如，基片441)和翼片(例如，翼片451)之间的角度(例如，角度α)提供了缓解由于附接到翼片的导线(例如，导线340a)的运动而引起的在垫片连接器和电极(例如，电极420) 之间的电连接上的应力的潜能。例如，导线可以由包围导线的环氧树脂的热膨胀或者人在导线上拖拉而被移动。然而，当导线在保持器(例如，保持器32 内向上或向下地或者在保持器内沿着径向向内或者向外地移动时，翼片能够弯曲而不在垫片连接器的基片和电极之间的连接上引起相当大的应力，由此降低这个连接故障的风险。在这里描述的实施例中，垫片连接器(例如，垫片连接器440)优选地包括具有类似于压电元件(例如，压电元件400)的热膨胀系数的材料。通过紧密地匹配垫片连接器的 CTE与压电元件的CTE，在这里描述的实施例提供降低在温度变化期间在电极上和在导电环氧树脂内的应力的潜能，由此减小故障的风险。在这里描述的实施例中，与压电元件(例如，压电元件410)的轴向厚度相比，平行于换能器的中心轴线测量(平行于轴350、415、445测量)的，垫片连接器(例如，垫片连接器440的基片441)和将垫片连接器附接到正电极的导电材料(例如，将垫片连接器440结合到正电极420的导电环氧树脂)这两者的轴向厚度优选地是小的。此外，垫片连接器和导电材料的质量优选地基本小于压电元件的质量。如果垫片连接器和导电材料的质量比压电晶体的质量小得多，则垫片连接器和导电材料的存在不太可能在压电元件的共振频率中引起显著的漂移。另外地，如果相对于压电元件，垫片连接器和导电环氧树脂是非常薄的， 则垫片连接器和导电材料将几乎是声透明的从而由压电元件产生的声能能够以最小吸收或者反射通过垫片连接器和导电材料。例如，对于以IMHz操作并且具有0.080英寸的轴向厚度的压电元件，垫片连接器和导电材料的轴向厚度优选地是0. 005英寸或者更小。相比于以换能器(例如，换能器300)的工作频率在垫片连接器材料中的声音的波长，垫片连接器的轴向厚度(例如，平行于轴线415测量的垫片连接器440的轴向厚度)优选地是小的。特别地，垫片连接器的轴向厚度优选地小于或者等于以换能器的工作频率在垫片连接器材料中的声音的波长的1/20，如下所示
轴向厚度< 20 ；其中λ (f)是作为换能器的工作频率(f)的函数的垫片连接器中的声音的波长。如下，作为换能器的工作频率(f)的函数的垫片连接器材料中的声音的波长等于在垫片连接器中的声速除以换能器的工作频率1 7 :其中，λ (f)是作为换能器的工作频率(f)的函数的垫片连接器中的声音的波长；f是换能器的工作频率；并且ν是在垫片连接器材料中的声速。例如，如果在垫片连接器材料中的声音的速度是5，000m/s并且工作频率是1MHz， 则垫片材料的轴向厚度优选地是0. 00025m( 0. OlOin.)或者更小。以所述方式，在这里描述的实施例提供到超声波流量计的换能器中使用的压电元件的更加稳健的电连接的潜能。当换能器和压电组件经受相当大的物理应力时，诸如当被要求在大的温度范围上操作时或者经受热或者机械冲击时所遭受的，在这里描述的实施例的潜在优点可以是特别有益的。虽然已经示出并且描述了优选实施例，但是在不偏离本文教导范围的情况下，本领域技术人员能够对其作出修改。在这里描述的实施例仅仅是示例性的而非限制性的。在这里描述的系统、设备和处理的很多变化和修改是可能的并且是在本发明的范围内。例如， 能够改变各种部件的相对尺寸、制成各种部件的材料和其它参数。因此，保护范围不限于在这里描述的实施例，而是仅仅由所附权利要求限制，其范围应当包括权利要求的主题的所有的等价形式。
权利要求
1.一种用于超声波流量计的压电组件，包括包括第一面和第二面的压电元件；接合所述第一面的第一电极；接合所述第二面的第二电极；附接到所述第一电极的导电垫片连接器；和电耦接到所述垫片连接器的第一导线。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述导电垫片包括附接到所述第一电极的基片和远离所述第一电极和所述第一面延伸的翼片。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述翼片相对于所述基片以角度α定向，其中所述角度α在45°和135°之间。
4.根据权利要求2所述的组件，其中所述压电元件的所述第一面是平坦的并且所述基片包括面对所述压电元件的所述第一面并且直接附接到所述第一电极的平坦界面表面。
5.根据权利要求4所述的组件，其中所述基片的所述界面表面具有总表面面积，所述压电元件的所述第一面具有总表面面积，并且所述基片的所述界面表面的所述总表面面积与所述压电元件的所述第一面的所述总表面面积的比率在0. 25和1. 00之间。
6.根据权利要求5所述的组件，其中所述基片的所述界面表面的所述总表面面积与所述压电元件的所述第一面的总表面面积的比率在0. 50和1. 00之间。
7.根据权利要求5所述的组件，其中所述基片的所述界面表面利用导电材料直接附接到所述第一电极，所述导电材料选自由导电环氧树脂或者导电焊料组成的组。
8.根据权利要求2所述的组件，其中所述翼片包括通过所述翼片延伸的孔隙，并且其中所述导线的端部通过所述孔隙延伸。
9.根据权利要求2所述的组件，其中所述垫片连接器包括具有在-1和9ppm/°C之间的热膨胀系数的导电材料。
10.根据权利要求2所述的组件，其中所述垫片连接器的所述导电材料具有在1和 6ppm/°C之间的热膨胀系数。
11.根据权利要求2所述的组件，其中所述压电元件包括在所述第一面和所述第二面之间轴向延伸的通孔，其中所述第二电极沿着所述压电元件的所述第二面延伸并且至少部分地延伸到所述压电元件的所述通孔中。
12.根据权利要求11所述的组件，进一步包括第二导线，所述第二导线具有置放在所述压电元件的所述通孔中并且电耦接到所述第二电极的端部。
13.根据权利要求12所述的组件，其中所述垫片连接器的所述基片包括通孔，并且其中所述导线通过所述基片的所述通孔延伸并且进入所述压电元件的所述通孔中。
14.根据权利要求12所述的组件，其中所述第二导线置放在所述压电元件的所述通孔中的所述端部利用导电材料电耦接到所述第二电极，所述导电材料选自由导电环氧树脂和导电焊料组成的组。
15.一种用于测量流过管线的流体的超声波流量计，包括管件，所述管件包括通孔和从所述管件的外表面延伸到所述通孔的换能器端口 ；置放在所述换能器端口中的换能器组件，其中所述换能器组件包括具有中心轴线、第一端部和与所述第一端部相对的第二端部的壳体，其中所述壳体包括在所述第一端部和所述第二端部之间轴向延伸的通孔，并且其中所述第二端部包括通向所述壳体的所述通孔的开口；至少部分地置放在所述壳体的所述通孔中并且通过所述开口从所述开口轴向延伸的晶体保持器，其中所述晶体保持器与所述壳体共轴对准并且具有置放在所述壳体的所述通孔中的第一端部和所述壳体远侧的第二端部；耦接到所述晶体保持器的所述第二端部的压电组件，其中所述压电组件包括 沿着中心轴线从所述管件的所述通孔远侧的第一面延伸到所述管件的所述通孔近侧的第二面的压电元件；置放在所述第一面上的第一电极；置放在所述第二面上的第二电极；附接到所述第一电极的垫片连接器；电耦接到所述垫片连接器和所述第一电极的第一导线；和电耦接到所述第二电极的第二导线。
16.根据权利要求15所述的组件，其中所述垫片包括附接到所述第一电极的基片和相对于所述基片以角度α定向的翼片，其中所述角度α在45°和135°之间。
17.根据权利要求16所述的组件，其中所述基片和所述翼片是单片的。
18.根据权利要求16所述的组件，其中所述第一导线直接附接到所述翼片。
19.根据权利要求16所述的组件，其中所述压电元件的所述第一面和所述第二面是平坦的并且是平行的，并且其中直接附接到所述第一电极的所述基片的界面表面是平坦的。
20.根据权利要求19所述的组件，其中所述基片的所述界面表面具有总表面面积，所述压电元件的所述第一面具有总表面面积，并且所述基片的所述界面表面的所述总表面面积与所述压电元件的所述第一面的所述总表面面积的比率在0. 25和1. 00之间。
21.根据权利要求20所述的组件，其中所述基片的所述界面表面的所述总表面面积与所述压电元件的所述第一面的所述总表面面积的比率在0. 50和1. 00之间。
22.根据权利要求15所述的组件，其中所述垫片连接器包括具有在-1和9ppm/°C之间的热膨胀系数的导电材料。
23.根据权利要求16所述的组件，其中所述基片利用第一导电材料附接到所述第一电极并且所述第二导线的端部利用第二导电材料附接到所述第二电极，其中所述第一导电材料和所述第二导电材料每一种均选自由导电环氧树脂或者导电焊料组成的组。
24.根据权利要求16所述的组件，其中所述压电元件包括在所述第一面和所述第二面之间轴向延伸的通孔，其中所述第二电极沿着所述压电元件的所述第二面延伸并且至少部分地延伸到所述压电元件的所述通孔中；其中所述垫片连接器的所述基片包括通孔；并且其中所述第二导线通过所述基片的所述通孔延伸并且进入到所述压电元件的所述通孔中。
全文摘要
用于超声波流量计的压电组件的实施例包括压电元件，该压电元件包括第一面和第二面。另外，该压电组件包括接合第一面的第一电极。此外，该压电组件包括接合第二面的第二电极。进而，该压电组件包括附接到第一电极的导电垫片连接器。而且，该压电组件包括电耦接到垫片连接器的第一导线。
文档编号G01F1/66GK102449850SQ201080024207
公开日2012年5月9日 申请日期2010年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者亨利·查尔斯·小斯特劳布, 查尔斯·韦恩·梅尔文 申请人:丹尼尔度量和控制公司
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