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压电收发器、振动传感器及制造压电收发器的方法

阅读:752发布:2022-08-14

专利汇可以提供压电收发器、振动传感器及制造压电收发器的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用于振动 传感器 (100)的压电收发器(1),所述压电收发器(1)作为具有驱动装置座(3)的独立处理单元被实施,所述驱动装置座(3)包括用于将所述压电收发器(1)连接到所述振动传感器(100)的机械振动单元(7)的机械连接部(5)。,下面是压电收发器、振动传感器及制造压电收发器的方法专利的具体信息内容。

1.一种用于振动传感器(100)的压电收发器(1),其特征在于,所述压电收发器(1)形成为具有驱动装置座(3)的独立处理单元,所述驱动装置座(3)具有用于将所述压电收发器(1)连接到所述振动传感器(100)的膜片(90)的机械连接部(5)。
2.根据权利要求1所述的压电收发器(1),其特征在于,所述驱动装置座(3)包括固定部(9),所述固定部用于在所述驱动装置座(3)中固定并预压紧堆叠式压电驱动装置(11)。
3.根据权利要求2所述的压电收发器(1),其特征在于,所述堆叠式压电驱动装置(11)包括具有压电单元(13)的堆叠体并包括调节陶瓷(17),所述压电单元(13)具有至少一个压电元件(15),所述调节陶瓷(17)在所述堆叠体中分别布置在所述压电单元(13)的上方和下方。
4.根据权利要求3所述的压电收发器(1),其特征在于,在所述堆叠体中在所述调节陶瓷(17)的上方和下方分别布置有优选为金属的压件(19)。
5.根据权利要求4所述的压电收发器(1),其特征在于,所述压力件(19)、所述调节陶瓷(17)以及所述至少一个压电元件(15)形成为具有圆形外轮廓并且具有相同的直径(d)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压电收发器(1),其特征在于,所述堆叠式压电驱动装置(11)被夹紧到所述驱动装置座(3)。
7.根据权利要求3到6中任一项所述的压电收发器(1),其特征在于,所述堆叠式压电驱动装置(11)被烧结单体
8.根据权利要求7所述的压电收发器(1),其特征在于,所述压电元件(15)均具有凹槽(15a),在所述凹槽中布置有用于接触所述压电元件(15)的连接线(31)。
9.一种振动传感器(100),其具有机械振动单元(7)和第二连接部(23),所述机械振动单元布置在可振动的膜片(90)上,所述第二连接部用于将所述膜片(90)连接到压电收发器(1),使得所述压电收发器(1)的振动被传递到所述膜片(90)并且所述膜片(90)的振动被传递到所述压电收发器(1),其特征在于,所述压电收发器(1)形成为根据前述权利要求中任一项所述的独立处理单元。
10.一种制造用于振动传感器(100)的压电收发器(1)的方法,所述方法具有如下步骤:
设置驱动装置座(3),
将堆叠式压电驱动装置(11)布置在所述驱动装置座(3)中,
使用第一预定扭矩(M1)紧固夹紧装置(21),以利用所述驱动装置座(3)预压紧所述堆叠式压电驱动装置(11),
对所述压电收发器(1)进行回火,并且,
以第二预定扭矩(M2)再次紧固所述夹紧装置(21)。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述回火在低于所使用的压电材料的居里温度但至少为300℃的温度下进行至少4小时。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,
所述第一扭矩(M1)的范围为1.5Nm到2.5Nm,优选为2Nm,并且/或者,
所述第二扭矩(M2)的范围为1.5Nm到2.5Nm,优选为2Nm。

说明书全文

压电收发器、振动传感器及制造压电收发器的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于振动传感器的压电收发器、根据权利要求9的前序部分的包括这种压电收发器的振动传感器以及根据权利要求10的前序部分的制造压电收发器的方法。

背景技术

[0002] 现有技术已经公开了压电收发器、包括这种压电收发器的振动传感器以及用于生产压电收发器的方法。例如,压电收发器能够在振动传感器中用作发送设备和/或接收设备,振动传感器通常在物位测量技术中用作限位传感器。这种压电收发器通常也被称为驱动单元。
[0003] 通常,振动传感器包括膜片,膜片可被驱动装置激励以进行振动,由此可以使布置在膜片上的机械振荡器振动。根据机械振荡器被填充材料覆盖的状态以及填充材料的黏性,机械振荡器以特征频率进行振动,特征频率通过振动传感器来检测并被转换成测量信号
[0004] 在现有技术中,通常使用两种不同类型的驱动装置。在第一变形例中,被划分成多个部段的压电元件粘合到膜片。通过向压电元件的一个或多个部段施加电压,这些部段被激励以弯曲或扭曲,并且将弯曲或扭曲传送到膜片,由此使膜片振动并同样触发机械振荡器振动。这种类型的驱动器仅产生有限的行程,且仅能够用于在所使用的粘合剂玻璃化转变温度以下且在所使用的压电材料的居里温度以下使用的振动传感器。在超过150℃的高温应用的情况下,这些传感器不适用。
[0005] 在针对特定应用需要具有更大行程的传感器或需要更高温度下的操作的情况下,使用驱动器的第二变形例,即所谓的堆叠式压电驱动装置。
[0006] 这里,经由布置在传感器的膜片上的夹紧螺栓以及夹紧螺帽将包括具有一个或多个压电元件的压电单元的堆叠体、分别布置在压电单元上方和下方的调整陶瓷以及布置在调整陶瓷上方和下方的压件朝向膜片夹紧。通过向压电元件施加电压,这些压电元件改变它们在螺栓的轴向方向上的延伸,并由此使膜片振动。在图4中示出了现有技术中的包括堆叠式压电驱动器的振动传感器。
[0007] 图4详细示出了现有技术已知的振动传感器100,例如,振动传感器100在物位测量技术中用作限位传感器。
[0008] 经由一体地形成在膜片90上的夹紧螺栓91并经由螺帽92将压电收发器1朝向膜片90夹紧,使得压电收发器1的振动被有效地传送到膜片90,反之亦然。用于接触压电元件15的电极16接触连接线31,连接线31在压电驱动装置11的外侧延伸并在后侧被引导至传感器电子元件。在膜片90上经由在向后方向上延伸的周向外缘布置有传感器壳体98,传感器壳体98连接到膜片90的边缘或者与其一体地形成。
[0009] 振动传感器100具有包括压电元件15的堆叠式压电驱动装置11,压电元件15彼此上下堆叠并经由电极16接触,其中,在堆叠体的上方和下方分别布置有调节陶瓷17以及压力件19,在此示例中,压力件19由金属材料制成。调节陶瓷17用于调节压电元件15和压力件19之间的热膨胀系数。压力件19被实施成使得从堆叠式压电驱动装置全面地获取力作用。
[0010] 振动传感器100包括膜片90,膜片90能够被压电收发器1激励以进行振动,由此能够激励布置在膜片90上的机械振动单元7进行振动。
[0011] 在例如在酸、油、气和石油化学工业中使用的涂覆式振动传感器的情况下,涂覆过程达到400℃以上的温度。这些温度高于所使用的压电元件的居里温度,使得仅能够在这种涂覆过程之后安装压电收发器。
[0012] 另外,必须对安装且偏置有驱动装置1的振动传感器100进行回火,并然后必须再次紧固夹紧螺母92。在未进行该操作步骤的情况下,不能确保压电收发器1的任何正确功能,原因在于不能提供足够的偏置并且热影响会导致驱动装置1仅在终端用户处的操作时稳定。
[0013] 完全组装的振动传感器100的这种回火成本很高(尤其是在所谓管状设计中),其中,因为这些管状设计可以具有长达6米的长度,所以振动传感器可以经由管状延伸部固定在距容器的顶部较远的距离处。将它们插入到回火炉中会具有很大难度。

发明内容

[0014] 本发明的目的在于改进用于振动传感器的压电收发器、包括这种压电收发器的振动传感器以及制造用于振动传感器的压电收发器的方法,使得压电收发器的普遍应用以及简化组装是可能的。
[0015] 通过具有权利要求1的特征的压电收发器、根据权利要求9所述的包括这种压电收发器的振动传感器以及具有权利要求10的特征的压电收发器的制造方法来实现该目的。在从属权利要求中公开了有利的变型。
[0016] 根据本发明的用于振动传感器的压电收发器的特征在于,压电收发器形成为具有驱动装置座的独立处理单元,驱动装置座包括用于将压电收发器连接到振动传感器的膜片的机械连接部。
[0017] 由于压电收发器(在下文中也称为驱动装置)形成为独立处理单元,因此压电收发器能够被单独地预安装、偏置、回火并且再次紧固,并且进而经由其机械连接部连接到振动传感器的膜片,使得压电收发器的机械振动能够被传递到膜片,反之亦然。因此,根据本发明所述的实施例的优点在于,压电收发器能够在组装过程中的任意合适的时间点插入,而不管其是否为涂覆式振动传感器或具有管状延伸部的振动传感器。此处,在组装驱动装置之后不需要额外的回火步骤。
[0018] 特别地,驱动装置座可以具有用于在驱动装置座中固定并预压紧层叠式压电驱动装置的固定部。通过使用合适尺寸的固定部,能够在驱动装置座处或者在驱动装置座中预组装、偏置、回火和再次紧固堆叠式压电驱动装置。其优点在于,能够单独制造并以即用的方式预组装压电收发器。通过具有合适尺寸的固定部,即,尤其是足够稳定的并且防扭转的固定部,堆叠式压电驱动装置能够例如通过合适的夹紧装置来偏置,夹紧装置可以例如实施成夹紧螺钉。
[0019] 堆叠式驱动装置例如可以包括堆叠体和调节陶瓷,堆叠体包括具有至少一个压电元件的一个压电单元,调节陶瓷在堆叠体中分别位于压电单元的上方和下方,以调节热膨胀系数
[0020] 另外,在堆叠体中,在调节陶瓷的上方和下方可以分别布置有一个优选为金属的压力件,使得能够从压电单元全面地获取力作用。为此目的,压力件、调节陶瓷以及至少一个压电元件可以形成为具有圆形外轮廓并具有相同的直径。
[0021] 有利地,堆叠式压电驱动装置能够被烧结单体。其优点在于,通过烧结驱动装置能够获得更紧凑的驱动装置,原因在于单独的压电元件例如能够经由导电的基烧结膏彼此连接并能够同时电接触。
[0022] 为了促进这种效果,压电元件可以分别具有凹槽,在凹槽中布置有用于接触压电元件的连接线,并且能够通过这种方式集成为单体。通过这种方式能够进一步降低用于压电收发器的电接触的成本。
[0023] 凹槽可以在压电元件的顶部的一侧和底部的另一侧布置在径向相对的侧上。凹槽可以被实施成在径向方向上延伸,但也可以在径向方向的横向式延伸。
[0024] 特别地,被烧结而形成单体的堆叠式压电驱动装置不仅可以包括压电元件,也可以包括调节陶瓷和压力件,从而得到紧凑的独立处理单元。根据本发明的包括布置在可振动的膜片上的机械振动单元的振动传感器包括第二连接部,第二连接部用于将膜片连接到压电收发器,使得压电收发器的振动被传递到膜片并且膜片的振动被传递到压电收发器,其中,压电收发器被实施成根据上述说明的独立处理单元。
[0025] 根据本发明的制造用于振动传感器的压电收发器的方法包括如下步骤:
[0026] -设置驱动装置座,
[0027] -将堆叠式压电驱动装置布置在驱动装置座中,
[0028] -使用第一预定扭矩来紧固夹紧装置,以利用驱动装置座预压紧堆叠压电驱动装置,
[0029] -对压电收发器进行回火,并且
[0030] -以第二预定扭矩再次紧固夹紧装置。
[0031] 根据本发明的方法允许压电收发器能够在未安装在传感器中的情况下被完全地预组装、偏置、回火和再次紧固。
[0032] 特别地,回火过程应当在低于所使用的压电材料的居里温度但至少为300℃的温度下进行至少4个小时,使得驱动装置被充分稳定并且进而可以被再次紧固。
[0033] 对驱动装置施加的任何偏置例如能够以1.5Nm到2.5Nm且优选为2Nm的第一扭矩进行,并且/或者以1.5Nm到2.5Nm且优选为2Nm的第二扭矩进行。
[0034] 这些扭矩力实现了驱动器的足够好的偏置,使得在插入传感器之后(即,在压电收发器连接到其所作用的膜片之后)能够立即开始操作。
[0035] 不同于现有技术公开的用于振动传感器的压电收发器,根据本发明的驱动装置在压力下工作,也就是说,使得力作用能够通过压力件19从堆叠式压电驱动装置11被居中地传递到膜片90,并且在从传感器的视来看时,膜片能够在轴向方向上向外变形,而在现有技术中,通过紧固形成在膜片上的夹紧螺钉使力从堆叠式压电驱动装置传递到膜片。附图说明
[0036] 在下文中,基于参照附图的实施例更详细地描述本发明。在这些附图中:
[0037] 图1示出根据本发明的振动传感器的第一示例性实施例的示意图,[0038] 图2示出根据本发明的振动传感器的第二示例性实施例,
[0039] 图3示出根据本发明的振动传感器的第三示例性实施例,
[0040] 图4示出根据现有技术的振动传感器的示意图(已说明),
[0041] 图5示出压电收发器的制造方法;并且
[0042] 图6示出了被实施成环形盘的压电元件。

具体实施方式

[0043] 图1示出振动传感器100的示意图,其中,在传感器壳体98中布置有压电收发器,传感器壳体98布置在被以能够振动的方式支撑的膜片90的后侧,在膜片90的前侧布置有机械振动单元7。
[0044] 压电收发器1(在下文中也被称为驱动装置)由大致杯形的驱动装置座3形成,在驱动装置座3中布置有堆叠式压电驱动装置11。堆叠式压电驱动装置11被夹紧到驱动装置座3的固定部9,固定部9形成杯形驱动装置座的基底并且具有足够大的厚度,以便在没有固定部9的变形情况下补偿堆叠式压电驱动装置11的力作用。
[0045] 在本示例性实施例中,堆叠式压电驱动装置11由压电单元13、布置在压电单元13上方和下方的调节陶瓷17以及在堆叠体中布置在调节陶瓷17上方和下方的压力件19形成。在本示例性实施例中,压电单元13包括三个压电元件15,这些压电元件15通过布置在压电元件15之间以及布置在压电元件15的上方和下方的经由连接线31接触的电极16(未示出)形成。
[0046] 能够通过向连接线31施加电压来激励压电单元13的压电元件15。
[0047] 布置在压电单元13上方和下方的调节陶瓷17用于使压电元件15的热膨胀系数调节成适配于布置在调节陶瓷17的上方和/或下方的压力件19。压力件19用于完全补偿或者传递通过施加电压在压电单元13中引起的在堆叠式压电驱动装置11的轴向方向A上的力作用。在本示例性实施例中,布置在膜片侧的压力件19包括内螺纹,其中,夹紧螺钉21接合在内螺纹中以通过固定部9预压紧堆叠式压电驱动装置。可替代地,压力件19也可以具有一体地形成的螺栓,螺栓在固定部9的方向上延伸穿过堆叠式压电驱动装置11的其它组件并朝向这些组件夹紧。
[0048] 在图1所示的示例性实施例中,压电元件15、调节陶瓷17以及面向固定部9的上部压力件19均被以环形的方式实施,使得夹紧螺钉21能够以在轴向方向A上居中地穿过这些元件的方式被引导。压电单元13的压电元件15的接触发生在压电元件的外缘处,其中,连接线31沿着堆叠式压电驱动装置在外侧被引导,并且通过固定部9中的两个开口在后侧被引导至压电收发器1的外侧。
[0049] 驱动装置座3在前侧(即,在本视图中的位于膜片侧的端部处)包括外螺纹,外螺纹与设置在第二机械连接部23上的内螺纹相配合,第二机械连接部23形成在膜片90上并且作为周向支架在向后方向上延伸。通过这种方式,压电收发器1能够以力配合的方式连接至膜片90,使得堆叠式压电驱动装置11在轴向方向A上的由施加到压电元件15的电压触发的任何延伸都导致膜片90在轴向方向A上的变形。
[0050] 为了方便将力引入到膜片90中并且确保力的传递尽可能居中地进行,此处,压电收发器的位于膜片侧处的压力件19包括在径向方向上居中地布置的圆顶形结构,圆顶形结构在轴向方向A上延伸并且力经由圆顶形结构被引入到膜片90中。
[0051] 在本示例性实施例中,在与第二机械连接部23相比时,传感器壳体98明显更薄并且因此以较差稳定性的方式实施,并且经由周向焊缝连接到第二机械连接部23。传感器壳体因此能够由圆形金属片制造并由此能够以成本明显更低的方式制造。
[0052] 为了确保振动传感器100的正确操作,压电收发器在传感器壳体98中以预定的扭矩固定在膜片90上。为了防止驱动装置在以这种方式进行螺纹连接时产生任何松动,驱动装置额外地通过合加固漆(lockingvarnish)进行固定。为了确保所需的扭矩良好地传递到驱动装置座3上,驱动装置座3在后侧处设置有凹部25,在凹部25中插入有合适的螺纹工具并且由此能够传递扭矩。
[0053] 图2示出了根据本发明的振动传感器100的另一示意性实施例。根据本发明的振动传感器100基本上包括参照图1描述的振动传感器100的结构,其中,与根据图1的示例性实施例不同的是,在根据图2的示例性实施例中,用于接触压电单元13的压电元件15的连接线31不是沿着堆叠式压电驱动装置11的外侧被引导,而是沿着以中空的方式实施的夹紧装置
21的内部被引导,夹紧装置21被以居中地穿过堆叠式压电驱动装置11的元件的方式被引导。与根据图1的实施例相比,连接线31的这种内部引导允许将堆叠式压电驱动装置11的组件实施成具有较大的直径d。然而,此处,被引导的夹紧装置21所穿过的开口需要具有较大的直径。然而,这会导致环形圈的面积最大化并且由此导致堆叠式压电驱动装置的力作用最大化。
[0054] 在另一实施例中,如图3所示,堆叠式压电驱动装置11的元件被实施成圆形盘,其中,堆叠式压电驱动装置11的偏置通过两个夹紧装置21来实现,这两个夹紧装置沿着堆叠体的外侧被引导并且与布置在膜片侧处的压力件19的周边接合。例如,在具有环形压电元件15的堆叠式偏压驱动装置11的设计是不期望的时,可以选择这种实施例。
[0055] 作为图1到图3所示的经由布置在驱动装置座3上的与布置在膜片90上或布置在第二机械连接部23(其设置在膜片上)上的内螺纹相配合的外螺纹实现的压电收发器的连接的替代方式,压电收发器也能够通过将驱动装置座3压合到第二机械连接部23来实现。
[0056] 在图5中示出了根据本发明的压电收发器的制造方法。
[0057] 图5示出了根据本发明的制造方法的示例性过程。
[0058] 在第一步骤中,设置驱动装置座3,其中,驱动装置座3被实施成适用于经由连接部5连接到振动传感器100的膜片90。然后,在另一步骤中,将堆叠式压电驱动装置11以独立部件的形式或者作为被烧结成单体的单元插入到驱动装置座3中,并且将其夹紧到驱动装置座3。以第一预定扭矩M1进行夹紧。然后,对以这种方式预组装的压电收发器1进行回火,即,在预定温度(例如,300℃)下持续4个小时的存放,并且然后再次紧固,从而产生具有可以等于第一扭矩M1的第二扭矩M2的偏置。由于压电收发器1的组件在回火步骤期间已经稳定,所以可在很大程度上认为这种过程不再出现,并因而驱动装置已经被预组装好以待使用。
[0059] 图6示出了被实施成环形盘的压电元件15,压电元件15包括凹槽15a,凹槽15a在压电元件15的顶部的一侧且在底部的径向相对侧设置在径向相对的两侧处。为了形成压电单元13,压电元件15能够与连接线31一起烧结到堆叠式压电驱动装置11,从而形成单体。
[0060] 附图标记列表
[0061] 1 压电收发器
[0062] 3 驱动装置座
[0063] 5 机械连接部/外螺纹
[0064] 7 机械振动单元
[0065] 9 固定部
[0066] 11 堆叠式压电驱动装置
[0067] 13 压电单元
[0068] 15 压电元件
[0069] 16 电极
[0070] 17 调节陶瓷
[0071] 19 压力件
[0072] 21 夹紧螺钉/螺母
[0073] 23 第二机械连接部
[0074] 25 凹部
[0075] 31 连接线
[0076] 89 外壳
[0077] 90 膜片
[0078] 91 夹紧螺栓
[0079] 92 夹紧螺母
[0080] 98 传感器壳体
[0081] 100 振动传感器
[0082] A 轴向方向
[0083] d 直径
[0084] M1 第一扭矩
[0085] M2 第二扭矩
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