一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料及方法与流程

本发明属于传感器材料制备，涉及气体介质与超声波传感器的超声耦合材料技术，具体为一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料及方法；用于提高气体介质中超声波传播的信噪比，继而提高气体传感器的灵敏度。

背景技术：

1、超声波传感器是利用压电材料的压电效应及逆压电效应，实现机械能与电能之间的相互转换。其体积小、成本低、结构简单，广泛应用于液位检测、流量检测、无损探伤、测距以及医学成像等领域。

2、由于超声波传播的介质不同，其声阻抗与压电陶瓷的声阻抗存在较大的差距，而为了高效传递超声波能量，需要根据不同介质条件进行声阻抗匹配，于是在超声波传感器领域，高效的匹配层材料及结构一直是科研人员不断努力的方向。

3、由于压电材料的声阻抗(约30mrayl)与气体介质的声阻抗(空气约400rayl)相差数个数量级，所以在超声波传递过程中因反射和衰减，使能量损失很大。因此，在气体传感器中，良好的匹配层能够实现高阻抗的压电材料和低阻抗的媒质间的声阻抗过渡，减少声波能量的大幅度衰减。

4、现有技术中气体介质的超声波传感器匹配层大都采用单一匹配层。参见申请号为201820140205.3的专利申请文献，公开了新型的气体超声波传感器，包括内部为空腔的壳体，还包括匹配层、瓷片和导线，所述匹配层呈长方体形，上述瓷片与匹配层相连且两者均位于壳体内，上述导线内端与瓷片相连，导线外端伸出壳体。但是该专利文献所记载的气体超声波传感器采用的是单一匹配层结构进行透射耦合，存在超声波在传播过程中的信噪比低，导致存在气体超声波传感器的检测灵敏度低的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中所描述的，现有技术中的气体超声波传感器大都采用单一匹配层进行透射耦合，超声波在传播过程中的信噪比低，导致存在气体超声波传感器检测灵敏度低的技术问题。针对该技术问题，本发明提出了一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料及方法。

2、本发明改变了传统的气体超声波传感器单一匹配层的设计理念，在气体超声波传感器中使用多层透射层，且多层透射层的材料使用轻质高分子材料或空心玻璃微珠或轻质高分子材料与空心玻璃微珠的混合物。本发明基于超声波反射和透射理论，通过多层透射层对超声波在传播过程中进行耦合，提高了超声波在传播过程中的信噪比，当本发明提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料应用在气体超声波传感器上时，提高了气体超声波传感器的检测灵敏度。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

4、本发明一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，包括用于超声波耦合的金属外层和n层透射层，其中，n为1-4之间的整数；金属外层的密度大于每层透射层的密度，金属外层的厚度小于每层透射层的厚度；

5、第一层透射层至第n层透射层对应的声波辐射面所用的材料均为轻质高分子材料或空心玻璃微珠或轻质高分子材料与空心玻璃微珠的混合物。

6、进一步限定，所述轻质高分子材料是发泡高分子材料或高分子聚合物。

7、进一步限定，随着透射层层数的增加对应透射层的密度呈递减趋势。

8、进一步限定，相邻两个透射层之间通过耦合粘结层粘结。具体的，耦合粘结层为环氧树脂层或丙烯酸酯类胶黏剂层。

9、进一步限定，所述透射层的层数n＝2，其中，第一层透射层对应的声波辐射面所用的材料为发泡高分子材料或空心玻璃微珠；所述第二层透射层对应的声波辐射面所用的材料为高分子聚合物。

10、进一步限定，所述第一层透射层的密度为1000g/m3～3000g/m3，所述第二层透射层的密度为30g/m3～500g/m3，所述金属外层的密度为5000g/m3～8000g/m3。

11、进一步限定，所述第一层透射层、第二层透射层和金属外层的厚度比为4～6:4～6:1。

12、本发明一种利用上述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料实现提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合方法为：

13、设置金属外层和n层透射层，其中，第一层透射层至第n层透射层对应的声波辐射面所用的材料均为轻质高分子材料或空心玻璃微珠或轻质高分子材料与空心玻璃微珠的混合物；随着透射层层数的增加对应透射层的密度呈递减趋势，使超声波沿金属外层向第n层透射层传播过程中提高超声波的信噪比。

14、进一步限定，金属外层的密度大于与之相邻的透射层的密度。

15、进一步限定，每层透射层的厚度相等或相邻两层透射层的厚度相差0.1mm-0.5mm，金属外层的厚度小于与之相邻的透射层的厚度。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

17、本发明一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，所使用的匹配层是由金属外层和n层透射层形成的，改变了传统的气体超声波传感器单一匹配层的设计理念，且多层透射层的材料使用轻质高分子材料或空心玻璃微珠或轻质高分子材料与空心玻璃微珠的混合物。本发明基于超声波反射和透射理论，通过多层透射层对超声波在传播过程中进行耦合。具体的，位于第n层透射层对应侧的气体介质的声阻抗与位于金属外层对应侧的超声发生装置的声阻抗相耦合，可将声阻抗匹配数个数量级(400rayl到30mrayl)，声阻抗的耦合效果好，同时提高了超声波在传播过程中的信噪比。当本发明提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料应用在气体超声波传感器上时，提高了气体超声波传感器的检测灵敏度。

技术特征：

1.一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，包括用于超声波耦合的金属外层和n层透射层，其中，n为1-4之间的整数；金属外层的密度大于每层透射层的密度，金属外层的厚度小于每层透射层的厚度；

2.根据权利要求1所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，所述轻质高分子材料是发泡高分子材料或高分子聚合物。

3.根据权利要求1所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，随着透射层层数的增加对应透射层的密度呈递减趋势。

4.根据权利要求3所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，相邻两个透射层之间通过耦合粘结层粘结。

5.根据权利要求4所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，所述透射层的层数n＝2，其中，第一层透射层对应的声波辐射面所用的材料为发泡高分子材料或空心玻璃微珠；所述第二层透射层对应的声波辐射面所用的材料为高分子聚合物。

6.根据权利要求5所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，所述第一层透射层的密度为1000g/m3～3000g/m3，所述第二层透射层的密度为30g/m3～500g/m3，所述金属外层的密度为5000g/m3～8000g/m3。

7.根据权利要求5所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料，其特征在于，所述第一层透射层、第二层透射层和金属外层的厚度比为4～6:4～6:1。

8.一种利用权利要求1所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料实现提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合方法，其特征在于，方法为：

9.一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合方法，其特征在于，金属外层的密度大于与之相邻的透射层的密度。

10.根据权利要求8或9所述的提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合方法，其特征在于，每层透射层的厚度相等或相邻两层透射层的厚度相差0.1mm-0.5mm，金属外层的厚度小于与之相邻的透射层的厚度。

技术总结本发明提出了一种提高气体介质中超声波信噪比的透射耦合材料及方法，属于传感器材料制备技术领域，包括用于超声波耦合的金属外层和N层透射层，其中，N为1‑4之间的整数；金属外层的密度大于每层透射层的密度，金属外层的厚度小于每层透射层的厚度；第一层透射层至第N层透射层对应的声波辐射面所用的材料均为轻质高分子材料。本发明基于超声波反射和透射理论，对超声波的透射耦合材料进行限定，利用多层透射层对超声波在传播过程中进行耦合，以提高超声波在传播过程中的信噪比。技术研发人员：李刚,武宇翔,贾亿明,郑重磊受保护的技术使用者：厦门声立达新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5