本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種輸出差分信號的超聲波傳感器。

背景技術(shù)：

高壓電力設(shè)備內(nèi)部，特別是氣體絕緣組合電器設(shè)備(gasinsulatedswitchgear，gis)存在絕緣缺陷，會導致局部放電。局部放電伴隨著光、聲、熱等信號，可以通過多種方法進行檢測。其中，以檢測局部放電發(fā)出的聲信號的超聲波法在電力設(shè)備的局部放電檢測中發(fā)揮著巨大的作用。然而，電力設(shè)備局部放電產(chǎn)生的超聲波信號微弱；而且在電力設(shè)備內(nèi)部傳播時，存在極大的衰減的問題；再則，現(xiàn)場檢測室外部環(huán)境會存在大量的低頻信號干擾。因此，用于局部放電檢測的超聲波傳感器要求靈敏度高、抗干擾能力強。

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。其核心是塑料或金屬外殼中的一塊壓電晶片。交流電信號的激勵可以使壓電晶片產(chǎn)生同頻率的機械振動，從而發(fā)射出超聲波；或者是壓電晶片在一定頻率的超聲波振動下產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電信號，從而作為超聲波的接收器。

目前，超聲波傳感器被用于多個領(lǐng)域，如超聲波測距、探傷、流量測定。在不同領(lǐng)域，傳感器的壓電晶片的頻率選擇以及傳感器尺寸結(jié)構(gòu)上千差萬別。而在局部放電檢測領(lǐng)域，現(xiàn)有的超聲波傳感器多采用增加壓電晶片厚度的方法來提高其靈敏度，其抗干擾主要通過金屬外殼屏蔽來實現(xiàn)。這種技術(shù)方案導致現(xiàn)有的傳感器的體積和重量都較大，而且抗干擾能力不足。傳感器太重導致現(xiàn)場使用中不能方便安裝在電力設(shè)備表面，抗干擾能力差導致背景噪聲高，使傳感器的靈敏度達不到要求。如圖1所示，是現(xiàn)有技術(shù)中用于局部放電檢測的超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括殼體11和一塊很厚的壓電晶片12，傳感器由殼體11的底面接收信號，壓電晶片12的兩極分別作為接地信號和傳感器接收信號輸出，其信號輸出為單端信號。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種超聲波傳感器，可以用于gis局部放電測試，以解決現(xiàn)有超聲波傳感器靈敏度不足、抗干擾能力弱、使用不方便的問題。

基于上述目的，本發(fā)明提供的超聲波傳感器包括殼體和位于所述殼體內(nèi)的傳感器組件，其中，所述傳感器組件包括從下到上依次安裝的第二壓電晶片、第二電極片、絕緣片、第一電極片和第一壓電晶片。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述第一壓電晶片和第二壓電晶片的正負極方向相同。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述第二壓電晶片與第二電極片之間通過導電銀膠粘接，所述第一電極片與第一壓電晶片通過導電銀膠粘接。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述超聲波傳感器還包括位于殼體內(nèi)的底座和上蓋，所述底座位于第二壓電晶片的下方，所述上蓋位于第一壓電晶片的上方，從而通過底座和上蓋將所述傳感器組件設(shè)置在底座和上蓋之間。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述底座和上蓋的厚度相同，并且質(zhì)量也相同；和/或，

所述底座的材料密度大于上蓋的材料密度。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述超聲波組件還包括緊固螺栓，所述傳感器組件中的各個部件的中心均開設(shè)有通孔，所述緊固螺栓依次穿過上蓋、超聲波組件中各個部件的通孔，并最終固定在底座上。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述底座朝向第二壓電晶片的表面凸起形成圓臺，該圓臺的直徑與壓電晶片、絕緣片、電極片以及上蓋的直徑均相同。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述壓電晶片，電極片和絕緣片均為圓環(huán)狀，并且其外徑均相同。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述壓電晶片的諧振頻率為30-50khz；和/或，所述壓電晶片的外徑為10-16mm；和/或，所述壓電晶片的厚度為2-5mm。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述超聲波傳感器還包括差分信號輸出接頭，所述第一電極片和第二電極片分別通過導線與差分信號輸出接頭的兩路差分信號連接。

從上面所述可以看出，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的超聲波傳感器將兩片壓電晶片輸出的信號作為差分信號的兩個信號源，使傳感器獲得的信號幅值加倍，大大提高傳感器的靈敏度，而且差分信號對于干擾信號的濾除，使其抗干擾能力也得到了同步提高。而且，本發(fā)明提供的超聲波傳感器的最大高度也只有近20mm，尺寸明顯減小了，小尺寸傳感器使其在測試現(xiàn)場的安裝使用更加便捷。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于局部放電檢測的超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一個實施例超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明另一個實施例超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

需要說明的是，發(fā)明實施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對發(fā)明實施例的限定，后續(xù)實施例對此不再一一說明。

如圖2所示，其為本發(fā)明一個實施例超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。作為本發(fā)明的一個實施例，所述超聲波傳感器包括殼體1和位于所述殼體1內(nèi)的傳感器組件，其中，所述傳感器組件包括從下到上依次安裝的第二壓電晶片6、第二電極片5、絕緣片4、第一電極片3和第一壓電晶片2，可見，本發(fā)明提供的超聲波傳感器將兩片壓電晶片輸出的信號作為差分信號的兩個信號源，使傳感器獲得的信號幅值加倍，大大提高傳感器的靈敏度，而且差分信號對于干擾信號的濾除，使其抗干擾能力也得到了同步提高。在本實施例中，傳感器為了獲得最佳的信號，要求兩片壓電晶片獲得的電壓信號幅值相等，相位相反，因此，兩片壓電晶片的放置正負極方向最好保持相同。作為本發(fā)明的一個實施例，所述第一壓電晶片2和第二壓電晶片6均為正極向上或者均為負極向上。所述傳感器組件的兩路差分信號分別從兩片電極片引出，兩片壓電晶片的背離彼此的兩個面共同作為差分信號輸出的零電位。

作為本發(fā)明的又一個實施例，單片壓電晶片的厚度小于5mm，遠低于現(xiàn)有超聲波傳感器中近30mm的壓電晶片厚度，即使加上其他部件(例如絕緣片、電極片等)，超聲波組件的厚度也不超過15mm，因此，本發(fā)明提供的超聲波傳感器的最大高度也只有近20mm?？梢?，本發(fā)明提供的超聲波傳感器的尺寸明顯減小了，小尺寸傳感器使其在測試現(xiàn)場的安裝使用更加便捷。

作為本發(fā)明的又一個實施例，所述第二壓電晶片6與第二電極片5之間通過導電銀膠粘接，所述第一電極片3與第一壓電晶片2通過導電銀膠粘接。以保證各個部件之間的牢固連接，穩(wěn)定地輸出差分信號?？蛇x地，所述絕緣片4的兩個表面也通過導電銀膠分別與第二電極片5、第一電極片3粘接，以提高傳感器組件的連接牢固性。

在本發(fā)明的另一個實施例中，所述超聲波傳感器還包括位于殼體1內(nèi)的底座7和上蓋8，所述底座7位于第二壓電晶片6的下方，所述上蓋8位于第一壓電晶片2的上方，從而通過底座7和上蓋8將所述傳感器組件設(shè)置在底座7和上蓋8之間，兩片壓電晶片的朝向底座和上蓋的兩個面共同作為差分信號輸出的零電位。作為本發(fā)明的另一個實施例，所述第二壓電晶片6、第二電極片5、絕緣片4、第一電極片3和第一壓電晶片2的均為圓形，并且各個部件的直徑均相同，這樣可以保證從底座7傳來的振動在兩片壓電晶片上分布均勻，從而使兩片壓電晶片將此振動轉(zhuǎn)化為的電壓信號幅值相同，信號的波形也相同。優(yōu)選地，所述絕緣片4可以為硬質(zhì)彈性形變小的的材料，例如陶瓷。

為獲得最佳的傳感器性能(主要為靈敏度)，要求兩片壓電晶片不僅結(jié)構(gòu)上要求對稱，而且在力學特征上也對稱，因此底座7和上蓋8的厚度相同，并且質(zhì)量也相同，這樣傳感器在各種安裝狀態(tài)下，均能保證兩路差分信號輸出值滿足幅值相等，相位相反的要求。優(yōu)選地，所述底座7的材料密度遠大于上蓋8的材料密度。例如，所述底座7可以選用密度較低的材料，例如鋁、不銹鋼等，上蓋8可以選用密度較高的材料，例如碳鎢鋼。優(yōu)選地，所述上蓋8、底座7與傳感器組件之間也可以通過導電銀膠，以提高上蓋、底座與傳感器組件之間的安裝牢固性，從而保證輸出差分信號。

可選地，所述超聲波組件還包括緊固螺栓9，所述傳感器組件中的各個部件的中心均開設(shè)有通孔，所有部件上下對齊，所述緊固螺栓9依次穿過上蓋8、超聲波組件中各個部件(第一壓電晶片2、第一電極片3、絕緣片4、第二電極片5和第二壓電晶片6)的通孔，并最終固定在底座7上，從而將超聲波組件牢固地固定在底座7和上蓋8之間。為了保證傳感器組件整體的幾何和力學上的均衡，保證兩片壓電晶片接收到的振動信號的幅度和波形一致，這樣才能保證該傳感器輸出的差分信號幅值相同，相位相反。優(yōu)選地，所述各個部件的通孔位于同一直線上。優(yōu)選地，所述各個部件的通孔位于底座7的中心的垂直線上。因此，所述緊固螺栓9可以將傳感器組件中的各個部件串在一起并緊密連接。

優(yōu)選地，所述壓電晶片6、2，電極片5、3和絕緣片4均為圓環(huán)狀，并且其外徑與上蓋8均相同。優(yōu)選地，所述壓電晶片6、2的諧振頻率為30-50khz，其外徑為10-16mm，內(nèi)徑4-8mm，厚度2-5mm。作為本發(fā)明的又一個實施例，所述殼體1為不銹鋼材質(zhì)，外形為圓柱形。優(yōu)選地，所述殼體直徑為18-22mm，高度為18-20mm。

作為本發(fā)明的又一個實施例中，所述超聲波傳感器還包括差分信號輸出接頭10，所述第一電極片3和第二電極片5分別通過導線與差分信號輸出接頭10的兩路差分信號連接，所述差分信號輸出接頭10的接地端與底座7連接。本發(fā)明提供的超聲波傳感器通過差分信號輸出接頭10輸出信號為差分信號。優(yōu)選地，所述差分信號輸出接頭10為雙芯bnc接頭。

如圖3所示，其為本發(fā)明另一個實施例超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。作為本發(fā)明的另一個實施例，所述底座7朝向第二壓電晶片6的表面凸起形成圓臺，該圓臺的直徑與壓電晶片2和6、絕緣片4、電極片3和5以及上蓋8的直徑均相同。即所述底座7為具有中心凸臺的圓片，優(yōu)選地，整個底座7的厚度與上蓋8相同，這樣可以保證底座7傳給壓電晶片的振動集中到與壓電晶片等面積的圓臺上，那么兩個晶片所接收到的振動力也會比較一致。

表1為本發(fā)明最佳實施例(如圖3所示的傳感器)與傳感器組件對稱性差的實施例傳感器性能的比較。對比實施例1中上蓋厚度和質(zhì)量遠小于底座，對比實施例2中安裝底座沒有中心凸臺。

測試時，以rigoldg4162型信號發(fā)生器輸出不同頻率和幅值的脈沖信號，脈沖信號上升沿均設(shè)為100納秒，由標準超聲波傳感器將信號轉(zhuǎn)為超聲波信號，按照本發(fā)明的最佳實施例以及上述對比實施例1和2的傳感器直接與標準傳感器對接，測試的傳感器信號經(jīng)過差分超聲放大器放大60db，信號用rigolds6104型示波器進行分析。對比頻率為20khz，40khz，60khz，100khz，200khz，信號幅值為2mv，5mv，10mv，20mv激勵源3種實施例傳感器的性能，表中的數(shù)據(jù)為5個不同頻率下傳感器獲取信號的平均值。

表1不同實施例傳感器的性能指標(單位：mv)

可見在最佳實施例中，傳感器的靈敏度最高，在2mv激勵源下放大60db后能獲得幅值達到49.6mv，而傳感器組件各部分不對稱條件下(對比實施例1和對比實施例2)，傳感器在2mv信號源下，示波器檢測不到信號。

如表2所示，在本發(fā)明實施例中(兩片薄片壓電晶片，2mm/片)，與單片薄片壓電晶片(2mm)的傳感器和現(xiàn)有的厚片壓電晶片(28mm)傳感器相比，傳感器頻率響應(yīng)更加均衡，信號靈敏度也高。

表2不同實施例傳感器的性能指標(單位：mv)

由此可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的超聲波傳感器將兩片壓電晶片輸出的信號作為差分信號的兩個信號源，使傳感器獲得的信號幅值加倍，大大提高傳感器的靈敏度，而且差分信號對于干擾信號的濾除，使其抗干擾能力也得到了同步提高。而且，本發(fā)明提供的超聲波傳感器的最大高度也只有近20mm，尺寸明顯減小了，小尺寸傳感器使其在測試現(xiàn)場的安裝使用更加便捷。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實施例或者不同實施例中的技術(shù)特征之間也可以進行組合，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節(jié)中提供。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。