技术摘要：
本发明涉及一种用于在流体(H2O)中发射和接收声波的超声波换能器，超声波换能器具有压电声学换能器元件(PZT)和第一声学匹配层(PEI，92)。压电声学换能器元件(PZT)被设计并设置成以其共振频率中的第一共振频率(fr)操作。声波光学功能元件(200)被放置在声学换能器元件(PZT  全部
背景技术：
超声测量基于声速。因为在声音产生和声音接收之间存在可测量的时间间隔，所 以声音可以用作测量手段。这种时间跨度和出现的与时间相关的衰减可以转换成可用信 息。超声波发射器产生声音频率高于20kHz的声音信号，并且超声波接收器接收返回的回波 信号并将其转换成相应的接收信号。然后，信号处理器以这些接收信号的时间进程的形式 来解释返回的回波的时间进程。 作为在空间上分离的空分复用的超声波发射器和超声波接收器的替换，优选使用 组合的声学换能器，组合的声学换能器以时分复用的方式在不同的时间段中作为超声波发 射器工作且在其它时间段作为超声波接收器工作。因此，如果在本文中提到声学换能器，则 总是包括超声发射器和超声接收器的组合。当前，声学换能器产生这种声音信号并检测返 回回波。返回回波由声学换能器接收并转换成与信息相关的电信号(即，接收信号)，该电信 号允许例如通过分析电路和/或信号处理器智能地处理回波图谱。 超声液位测量中的典型声学换能器系统需要一些组件。一种组件是用于产生超声 波信号并接收回波的声学波换能器，另一种组件是用于根据电接收信号确定数据并得出测 量结果的接收电路或信号处理器。虽然超声设备将这些组件组合在一个单元中，但个体功 能仍保持不同。测量输出通常与可编程控制器通信，以进行过程控制。 在典型的工作原理中，作为声学换能器内的压电声学换能器元件(PZT)的压电晶 体将电信号的电气特性(通常是信号电压)转换成声能，当机械波传输到测量介质中时，声 波在测量介质中传播，并然后反射回声学换能器。 然后，声学换能器用作接收设备，并将作为回波返回的声能转换回接收信号。电子 信号处理器或其它合适的接收电路分析声学换能器的接收信号中包含的返回回波，并计算 声学换能器和引起回波的目标之间的距离。 声音脉冲的触发和返回回波的接收之间的时间间隔正比于声学换能器和测量空 间中(例如，被确定物位的容器中)引起回波的声学阻抗不均匀性物体之间的距离。这个基 本原理是超声测量技术的核心，并且以如下方程示出： 距离＝[(声速)×(飞行时间)]/2。
技术实现要素：
本发明的目的在于披露一种能够检测汽车环境中的液位、流量和油质的超声波换 能器。该目的在于为流量计和液位传感器市场提供低成本的换能器。 本发明公开了一种超声波换能器，超声波换能器能够作为压电声学换能器元件 PZT以低价格出售并且对压电振荡器具有低质量要求，使得直接脉冲检测运行时间成为可 能。因此该超声波换能器是高性能的超声波换能器。 5 CN 111570243 A 说　明　书 2/10 页 所公开的高性能超声波换能器能够使用飞行时间测量技术来检测液位、流速并识 别油混合物或油质。例如，适用的评估电路是集成的ELMOS  E703.15和E703.25电路。 在汽车、工业和医疗应用中，它们具有皮秒级的飞行时间分辨率 和巨大的潜力。然而，对于这些应用来说，目前市场上 的超声波换能器质量差或者太过昂贵。因此，本发明提出了一种新型的超声波换能器，以便 允许低成本地批量生产频率为2MHz的超声波换能器。 技术问题 本发明旨在提供一种用于流量计和/或液位传感器的低成本超声波换能器的设 计。 技术方案 基本思想是使用基于PEI塑料注塑成型的制造过程来制造超声波换能器。这里，缩 写PEI代表聚醚酰亚胺(Polyetherimide，缩写PEI)。PEI属于聚酰亚胺，且是主链中具有酰 亚胺基团和醚基团的聚合物。PEI耐高温、透明并且通常具有金黄色。染料和添加剂可以改 变特性。 这里，通过注塑成型方法加工聚醚酰亚胺。视类型而定，加工温度在320℃到400℃ 之间，模具温度在120℃到180℃之间。必须在加工前将颗粒干燥至最大含水量0.05％。根据 本发明的由PEI制成的部件可以例如通过感应、振荡或超声波来焊接或者例如用环氧树脂 粘合剂、聚氨酯粘合剂或者硅酮粘合剂来粘合。 本发明的另一个基本思想是提供一种四分之一波长匹配层，以用于将压电声学换 能器元件(PZT)的声学波阻抗调整成匹配被测量的液体介质，并为此目的而使用用于壳体 的PEI塑料材料。 通过因此而改善的声学引入与声学引出，超声波换能器的声辐射功率和接收灵敏 度 被 最 大 化 。因 此 ，最 终 ，本 发 明 的 基 本 思 想 是 通 过 使 用波 光 学 功能 元 件 (wellenoptischer)来改变声学接收和传输特性，所述波光学功能元件在机电设备的壳体 制造过程的范围内同样由机电设备的PEI壳体材料制成。 声波光学功能元件可以是所讨论的数字光学器件，例如透镜、菲涅耳透镜、声子晶 体等。 下文将参照附图来描述本发明。 附图说明 图1示出现有技术中已知的压电振荡元件板的振荡模式。 图2以基本形式示出典型压电振荡元件的振幅响应和相位响应。 图3示出用于根据本发明的示例性超声波换能器的第一示例性引线框架1。 图4示出了图3的示例性引线框架作为示例性的尺寸标注设计图。 图5示出第一注塑成型步骤之后的半成品。 图6示出图5的具有示例性尺寸标注的半成品。 图7示出了图5的半成品，其中，压电声学换能器元件PZT现在借助振荡元件安装步 骤安装在由内框架9的表面和PEI填充物35的表面组成的安装表面上。 图8对应于接合连接步骤之后的图7。 6 CN 111570243 A 说　明　书 3/10 页 图9示出第二注塑成型步骤之后的半成品。 图10示出了图9的设备的未按比例的等距简化图。 图11在基本步骤中以简化的方式示出制造过程。 图12示出根据本发明的另一示例性设备。 图13再次示出匹配层PEI，92的基本原理。 图14示出基于具有改进的声学折射率nPEI'的匹配层的声光功能元件的原理。 图15对应于图14但不同之处在于凹槽201的宽度被调制。