CN104094098A - 借助于传感元件来测量液体的特性的传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于检测尤其是用于车辆的液体燃料的密度或粘度的传感器(2-2Ⅳ)，其包括被放置成与所述液体燃料接触并位于参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ,31)附近的传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，以便通过增加传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的粘性摩擦效力来影响液体燃料流的运动，使得所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的谐振频率更多地被所述液体燃料的密度和粘度影响。

Description

借助于传感元件来测量液体的特性的传感器和方法
技术领域
本发明涉及传感器，尤其是本德尔(bender)型的传感器，且涉及用于测量液体(尤其是燃料，优选是用于车辆的燃料)的特性的方法。
背景技术
术语“bender”通常指由与非压电柔性支撑物关联的一个或多个压电元件组成的装置，该非压电柔性支撑物可以是导电的或绝缘的，取决于该元件的特定配置，其充当对该压电元件的限制，从而将变形转换成该装置的垂直位移。本文描述的bender通常被限定为“单态的”，因为压电元件与非压电无源元件(也被称为柔性支撑物)关联。
作为可选方案，可能使用两个关联的压电元件，其被直接焊接到彼此或焊接到中央无源元件，并被供电，使得一个元件的延伸相应于另一元件的收缩。以这后一种方式配置的Bender通常被称为“双态的”。
单态装置和双态装置在工作时，都在其一端处以“固定杆”模式或“悬臂”模式受限制。这一概念可扩展到在两端处均受限制的薄板或更复杂的形状，例如在其四端处均受限制的十字形，或在极限情形中，具有无限小长度的无限侧面的形状或在其周边处受限制的膜，例如圆形膜。
由“bender”致动器(不管是单态的还是双态的)所提供的优点是，使用压电致动器可得到的位移可被放大到甚至大于一个数量级的倍数：例如，压电元件的几微米的内在变形可被一直放大到毫米级。这个特征对于在本申请中提出的传感器的操作是重要的，因为较大的位移意味着较高的测量灵敏度。
Bender可使用比体元件成本更低的技术来制造，如下面将解释的，并可使用较低的电压供电，这对于汽车方面的应用是一个关键特征。
众所周知，液体的特性的连续测量具有重要的作用，因为其使得有可能对将会涉及液体的过程进行优化。一个例子是发生在内燃发动机内部的燃烧过程；为了增加燃烧效率，燃料的特征必须在燃烧发生之前是已知的。
燃料的密度和粘度是用于调节燃烧发动机等等的两个重要参数。实际上，通过密度能够了解是否水(其具有不同的密度)已被添加到燃料，而通过粘度能够验证燃料是否可通过喷射系统被最佳地雾化或成雾状。
当使用从工厂得到的柴油机燃料时，粘度测量变得更加重要，柴油机燃料中的石蜡含量比矿物燃料更丰富；已知粘度值，如果太粘滞，在燃料在发动机汽缸内被雾化或成雾状之前，我们可通过加热燃料来干预粘度值，从而不阻塞燃料导管和/或喷射器。由Shih等人在《应用物理学杂志》(Journal of Applied Physics)(vol.89(2))中发表的文章“使用压电单悬臂同时确定液体粘度和密度(Simultaneous liquid viscosity and densitydetermination with piezoelectric unimorph cantilevers)”中描述了用于测量密度和/或粘度的一个解决方案。该文章描述了bender，其类似于在本专利申请中所主张的本发明所使用的bender。
在这个现有技术文献中描述的传感器的一个局限是它的灵敏度差，其不能实现以令人满意的方式在一些应用中检测在液体燃料中的密度和/或粘度的变化，因为bender振动时的频率的变化的范围是有限的(仅仅几赫兹(Hz)或几十Hz)。
而且，由于存在源自操作中的发动机的振动，测量灵敏度变得更加糟糕，操作中的发动机的振动可使bender振动，从而进一步增加进入测量电路的噪声。
发明内容
本发明目的在于通过提供新的传感器和/或新的测量方法来解决这些问题和其它问题，其中使用bender型元件。
构成本发明的基础的一个理念是使用bender型元件检测优选地在车辆中的液体的特性，所述bender型元件包括至少一个与压电有源元件关联的非压电无源元件。
构成本发明的基础的另一理念是提供用于检测燃料和/或油或润滑油和/或添加剂(例如燃烧和/或废气添加剂)的特性的bender型传感器。
构成本发明的基础的又一理念是使用优选地位于离bender的接近距离处的辅助元件(也被称为参考元件)。
以这种方式，由于参考元件的使用，使得有可能通过增加密度/粘度改变时出现的谐振频率变化(这引起传感器的衰减程度的增加)来增强测量灵敏度。
浸没在液体中并被制造成通过外部施加的力F0exp(-iωt)来产生振荡的bender的运动方程如下：
( Me + MI ) d 2 y d t 2 + ( b m + b ) dy dt + Ky = F 0 exp ( - iωt )
其中Me和K分别是bender的实际质量和实际弹性常数，且MI和b分别是表观质量和归因于流体的衰减。可注意到，MI和b分别取决于流体密度和流体粘度。因此，较高的密度和较高的粘度将导致bender的谐振频率的变化。
由于流体的粘性滑动，且由于因此导致的诱导衰减参数bin的贡献的增加，在bender附近的参考元件的存在增加了耗散，从而增加了bender的谐振频率的变化的范围。
因此，有多种可行的过程，用于同时估计流体的密度和粘度，而不必使用在操作条件中不足够可靠的复杂模型。
第一过程要求使用单个bender，其面向参考元件，并在相应于不同的振荡振幅的两个不同的供电电压下操作。较低峰值电压对应于与刚度参考元件的较小交互作用，且因此对应于由将被表示为Pm*MI和Pv*b的权重所影响的谐振频率的偏移。
较高峰值电压对应于与参考元件的更多交互作用，且因此对应于由将被表示为Pml*MI和Pvl*b的权重所影响的谐振频率的偏移。相对比率Pm/Pv和Pml/Pvl将是不同的，且将允许通过适当的校正来估计密度和粘度。这种方法可被扩展到通过利用第三操作条件来估计其它重要参数，例如流体压力，其中第三操作条件允许由密度、粘度和压力所代表的三个未知量来求解系统。
第二过程要求使用具有不同的参考元件的两个相同的bender。
第三过程要求使用具有与流体的不同交互作用(例如具有以不同的方式与流体交互作用的表面)的两个bender。
这些测量可以然后与无论什么装置所进行的温度测量相关联。
另一可关联的测量是流体的传导率和介电常数的测量，以便得到能够提供在使用中的液体燃料的更准确的信息的多参数图。
本发明的另外有利的特征将在所附权利要求中陈述。
附图说明
通过参考在附图中示出的实施例所进行的下列描述，本发明的这些特征以及另外的优点将变得更明显，附图作为非限制性例子被提供，其中：
图1是根据本发明的耦合到传感器的燃料导管的透视图；
图2是根据图1的本发明的与燃料导管分离的传感器的透视图；
图3是图2的传感器的分解图；
图4是图1的传感器和燃料导管的一部分的横截面的透视图；
图5是包括在图4的传感器中的传感元件的透视图；
图5a是图5的传感元件的细节的放大视图；
图5b是根据本发明的通用传感元件的截面图；
图6是从另一角度看的图5的传感元件的透视图，其中传感元件的一部分被移除；
图7、8和9示出图5和图6的传感元件的一种变体；
图10、11和12示出图5-6的传感元件的另一变体；
图13和图14示出图2的传感器的一种变体，其中包括圆形传感元件；
图15和图16是耦合到图1的燃料导管的图13的传感器的横截面的透视图；
图17是图13和14的传感元件的透视图；
图18是图17的传感元件的分解图；
图19是图17的传感元件的一种变体的透视图；
图20和图21是示出根据本发明的传感器的应用的相应例子的相应图解；
图22的剖视图示出了将根据本发明的传感器应用到流体过滤器；
图23示出将根据本发明的传感器应用到流体导管的一种变化形式；
图24(a)-24(d)示意性示出对根据本发明的传感器的元件进行限制的一些限制形式。
具体实施方式
参考图1，示出了内燃发动机的流体供应装置D，其包括也通常被称为“燃料分配管”或“公共供油管”的液体或燃料的导管1。
在导管1中有与根据本发明的传感器2兼容的壳体底座11、入口12(使液体或燃料通过该入口12流动)和一个或多个(优选为四个)出口13，喷射器被连接到出口13，用于将燃料馈送到内燃发动机的汽缸(在附图中没有示出，因为它们对解释本发明的目的不重要)。
壳体底座11优选地位于燃料导管1的一侧上，并被成形，以便匹配传感器2；通过适当的紧固装置，例如将传感器2锁在操作条件中的夹子3，使这个连接变得稳定；尤其是，所述夹子3适合于将本身定位在导管1的周边底座和传感器2的周边底座之间。
如图2所示，使用密封元件21a(优选地，为O形环)，以便确保在导管1和传感器2之间的耦合的适当密封。
也参考图3的分解图，传感器2包括连接器22、电缆23(优选地，为三极电缆)、至少部分地与导管1的壳体底座11兼容的基座或壳体24，用于电缆23和传感器2之间的电连接区域的密封或保护元件25，电接触或连接元件26，具有至少一个狭槽27a的bender支撑物27，也被简单地称为“bender”的传感元件4，其中所述传感元件4被成形为像平行六面体，并被部分地插入狭槽27a中，参考元件28和保护元件29，当传感元件4在操作条件中时，保护元件29优选地保护所述传感元件4免受由流动的液体和/或由分散在所述液体中的微粒引起的任何扰动。
如也在图5b中所示的，传感元件5由至少一个非压电无源元件31和至少一个bender型的压电有源元件32组成，这两个元件通过适当的装置变得彼此成一整体。
有源元件32具有通常薄板状的形状，其在图1-6的情况下是扁平和矩形的。
在图5、6和5a所示的例子中，传感元件4有利地由联合在一起的三个有源元件32和三个无源元件构成。有源元件32优选地与所述无源元件31交替地重叠，以便有利地增加由传感元件4施加的力，并得到更准确的测量。
传感元件4可用于测量包含化学侵蚀性的物质(例如强酸、碱等)的液体。目的在于有利地增加传感元件4对这样的物质的抵抗性，所述传感元件4可以至少部分地设置有壳体或涂层34，使得有源元件31和无源元件32将不与待测量的液体进行直接接触。为此目的，所述涂层34必须确保必要程度的柔韧性，使得由传感元件4进行的测量既不被改变也不被误差影响。
参考元件28还例如通过增加由于液体的层流而引起的耗散来充当检查元件，以便确保将在下文描述的测量过程的正确性。
接触元件26由基座24支承，被插入它中或模制在它之上。
基座24还可以包括内置电连接器(未在附图中示出)，因而使电缆23和连接器22的存在变得不必要。为了这个目的，从导管1面向外的接触元件26的端部26a可用于产生所述内置电连接器(例如与壳体24成一整体或被制成为一个零件的电连接器22)的电端子。
被待测量的液体弄湿的传感器2的那些部分包括传感元件4和元件28、29；这样的元件28、29具有不同的形状。元件28是L形，较大侧面比传感元件4长，且较小侧面优选地比所述传感元件4的厚度长；元件29具有中空圆柱形形状，侧表面设置有孔，允许燃料在传感元件4周围循环。
如前所述，当传感元件4在操作中时，参考元件28充当检查或参考元件，因而允许测量过程的执行和/或改进。事实上，传感元件4的运动引起在面向参考元件28的所述传感元件4的表面和参考元件28本身之间的液流中的运动，因而确保对流体的粘度的更好检测，因为在所述部分之间的距离与其宽度一起，共同产生一种通道或路径部分，流体在该通道或路径部分中流动。
优选地，参考元件28并列于传感元件4或以任何方式位于传感元件4附近，使得参考元件28实质上平行于传感元件4，和/或位于离传感元件4或离其优势部分的实质上一致的距离处。
参考元件28被布置在离传感元件4的这样的距离处，使得在操作中时将不会机械地干扰后者的运动，但只是通过由流体介导的效应，而保护元件29被布置在元件28和传感元件4周围。
传感元件4被成形为像平行六面体一样，并具有一种类型，其中两层具有平行和一致的极化矢量(Y极化)。由于这个原因，传感元件4必须由三个触头供电，这样允许它被有效地供应有优选地在12-13.8V的范围内的直流和/或交流电压，例如一般从汽车电池可得到的那些电压。
鉴于这样低的电压的使用，对使用bender可能是特别有利的，其中压电活性材料借助于薄膜技术例如溅射、脉冲等离子体沉积或溶胶凝胶或借助于厚膜技术来沉积，以便将压电材料的厚度，对于薄膜技术限制到几百纳米，或对于厚膜技术限制到数十微米。为了增加位移，可使用多层膜的方案，其中多层活性材料与充当电极的导电层交替。作为厚膜技术的扩展，值得注意的是，当前的装置可以方便地通过使用LTCC(低温共烧陶瓷)技术来制造，LTCC技术允许产生陶瓷的、导电的、有阻抗的和甚至压电的结构层。
如也在图4-6中所示的，基座24包括被成形为使得它可以至少部分地插入燃料导管1的壳体底座11中的部分24c；基座24的所述部分24c还包括用于容纳优选地是O形环的密封元件21a的、优选地为圆形的壳体底座24d。
此外，基座24包括用于容纳接触元件26的底座24a，接触元件26在这个实施例中是三个；所述接触元件26可有利地与基座24组装或共同模制在一起，以便确保整个零件的较大的机械强度。
为了确保适当的密封，从而避免沿着壳体底座24a的任何液体泄漏，对于每个接触元件26，传感器2包括两个刚度O形环21b，优选地是金属O形环，在这两个O形环之间有橡胶O形环21c，使得O形环21c相对于基座24的径向密封由于这两个刚度O形环21b的存在而提高；所述O形环21b、21c围绕接触元件26为中心，并由包括在基座24中的底座24b保持在适当的位置上。由于上面解释的相同的原因，它们也可有利地与基座24组装在一起或通过共同模制集成到基座24内。
接触元件26将包括在传感元件4中的触头——优选地为两个或三个——电连接到电缆23。通过金属端子或电线26a来得到接触元件26和传感元件4之间的电连接，电线26a的横截面优选地小于接触元件26的横截面，从而使也通过弯曲将其设置在传感元件4附近和/或使它们与所述传感元件4连接和/或将它们焊接到所述传感元件4上更容易；作为替代，在插头(male contact)元件26和电缆23之间的电接触由母端子或触头20来保证和/或通过焊接来保证。
端子20可被成形为与底座24b兼容，和/或由于上面解释的相同原因，它们可以与基座24共同模制在一起。
连接器22包括多个电触头(没有在附图中示出)，其数量优选地等于向传感元件4供电的接触元件26的数量；所述电触头与电缆23电连接，且因此与传感元件4电连接；所述连接器22也可被成形为符合任何汽车标准或符合任何其它标准。
例如，在附图中示出的连接器22落在由一些汽车制造商或他们的提供者承认的型号(例如FIAT——系列150超密封(Super Seal)，Delphi有限公司——GT系列)内；其它现有的型号包括例如Delphi的Metri-Pack系列等。
关于传感器2的操作，必须指出，由于在bender支撑物27的狭槽27a和传感元件4本身的一端之间的干扰，传感元件4被限制为沿着A-A轴。当传感元件4被供应有交流电压时，它沿着与轴B-B重合的优势方向弯曲，轴B-B与轴A-A正交。显然，更远离bender支撑物27的传感元件4的端部比传感元件4的其它部分经受更大的位移。
Bender传感器可在两种模式中操作，即，作为“发生器”或作为“致动器”。在本专利申请中，在所提出的传感器版本之一中，压电元件的一部分用作致动器，且另一部分用作传感器，以在操作的不同时刻测量传感元件4的实际变形。
在汽车安装、如在本文所述的汽车安装中，必须考虑下列事实：由于导管1所供给的发动机的操作，传感元件4即使不接收功率也将仍然振动，使得传感元件4将产生包含噪声分量的电压。由于这个原因，传感器的操作频率必须被选择成高于由发动机和由车辆的其它移动机械零件产生的频率。除了增加传感器的灵敏度以外，小型化bender也具有较高的谐振频率。传感元件4应具有包括在150Hz和30kHz之间、优选地在10和20kHz之间的第一模式谐振频率。简言之，用于测量穿过传感元件4的液体的密度和粘度的方法包括下列步骤：
a.通过将峰值电压V1，例如3V，施加到传感元件4来测量传感元件4的第一谐振频率；
b.使用大于V1的峰值电压V2，例如12V，测量第二谐振频率；
c.估计液体的密度和粘度值，其中传感元件4基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
作为上述方法的可替代方案，使用单个传感元件4但两种振荡模式，例如接近于第一和第二谐振频率的频率，的第二种方法，包括下列步骤：
a.当传感元件4由对应于其第一振动模式的频率f1激励时，测量第一谐振频率；
b.当传感元件4由对应于其第二振动模式的频率f2激励时，测量第二谐振频率；
c.估计液体燃料的密度和粘度值，其中传感元件4基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
作为上述方法的可替代方案，使用两个传感元件4，但他们具有不同的、因此具有不同的特征(例如没有参考元件28的bender B1和有参考元件28的bender B2)的第三种方法包括下列步骤：
a.测量第一传感元件4的谐振频率；
b.测量第二传感元件4的谐振频率；
c.估计液体燃料的密度和粘度值，其中传感元件4基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
通常，该方法应包括用于估计m个参数的n个操作模式的使用，其中m小于或等于n(m<＝n)。
例如，可以在n个不同的电压下，其中主要与密度相关的参数的影响和主要与粘度相关的参数的影响之间具有相应的不同比，使用具有优选地接近于谐振频率的固定频率的单个bender，以便估计m个参数，m小于或等于n。例如，我们可创建被限定在空间R4中的、由在四个不同的供电电压下的四个衰减值限定的空间的图，以便通过适当的变换函数得到在空间R3中限定的密度、粘度和压力值。
同样，空间R4可由彼此不同或具有两个不同的约束的、由两个不同的供电电压供电的两个bender限定。传感元件4的谐振频率被液体的粘度和密度影响。事实上，液体的粘度和密度越高，传感元件4在移动时所遇到的阻力(抗力)就越大。
本文使用的配置(其中参考元件28位于振动元件附近)强调粘度对传感器的响应的影响，因而使通过将元件28定位在离传感元件4的适当距离处来调节传感器的标度变得可能。
这个阻力影响传感元件4的谐振频率；粘度越高且因此提供到传感元件4的运动的阻力越高，传感元件4的谐振频率就越低；相反，粘度越低，传感元件4的谐振频率就越高。使用这样的测量原理，优选将传感元件4安装在它不受到由于流体流、旋涡等引起的力时的位置上。由于这个原因，保护元件29优选地被布置在传感元件4周围，以保护传感元件4免受任何扰动；这样的保护元件29必须确保传感元件4的保护，而同时防止在它周围的液体的停滞，以避免影响测量过程。
与现有技术比较，其中bender被放置在液体中，且粘度和密度值从谐振频率和峰值宽度得到，在这种情况下，提议将参考元件28布置在bender附件，以便迫使流体在非常接近于bender本身的区域中以层流运动流动。实际上已知横波在流体中传播得非常少。通过使用布置在离bender的接近距离处的适当的参考元件28，可能放大粘度对谐振频率值的变化的影响。应注意，通过插入多个压电元件(例如bender)，我们可以唯一地基于谐振频率值来测量粘度和密度。例如，可以使用如前面所述的具有不同的长度的bender和/或参考元件28。
当然，到目前为止描述的例子可能进行很多变化。
第一变体在图7-9中示出；为了简单起见，下面的描述将只强调使这个变体和接下来的变体不同于上面描述的主要实施例的那些部分；由于相同的原因，无论在哪里，添加有一个或多个撇号的相同的参考数字将用于指示在结构或功能上等效的元件。
传感器2Ⅰ的这个变体利用不同于主要实施例的那些元件的参考和/或保护元件。事实上，平行六面体元件28Ⅰ代替在前一例子中使用的元件28。就元件29而言，它可能仍然存在，但为了简单起见，它没有在附图中示出。
元件28Ⅰ具有与传感元件4的尺寸和形状可比较的尺寸和形状；所述元件28Ⅰ被布置成，在前面的例子中由参考元件28占据的相同位置上，实质上平行于，即，并列于传感元件4和/或其优势部分，且与传感元件4和/或其优势部分相等地间隔开。
在元件28和28Ⅰ之间的主要差异是孔28Ⅰa(已经存在于保护元件29中)的存在。
这些孔28Ⅰa具有形成通道的功能，待分析的流体可在该通道中以层流运动流动。它们也可用于防止在传感元件4的表面上的液体的停滞，从而确保所述液体的不变流动，并保护所述传感元件4免受由待测量的液体的运动产生的湍流。
检查元件28Ⅰ位于离传感元件4的接近距离处，以便与其一起限定流体的路径的一部分，其中流体的至少一个特性被检测。
为了将元件28Ⅰ保持在适当的位置上，存在类似于前面的例子的bender支撑物27的bender支撑物27Ⅰ。
由于存在与参考元件28Ⅰ的一端兼容的至少一个狭槽(没有在附图中示出)支架27Ⅰ不同于支架27。
图10-12示出类似于前面变体的第二变体。由于两个元件28Ⅱ的存在，这个变体的传感器不同于前面的传感器，每个元件28Ⅱ实质上与第一变体的元件28Ⅰ相同。
虽然传感器的尺寸较大，这有利地提高液体的层流运动的可测量性，因为后者的强度由额外的元件28Ⅱ的存在而增加。
在导管内的传感器2Ⅱ所占据的较大空间由流体对振荡所提供的增加的阻力补偿，从而提高所述传感器2Ⅱ的灵敏度。
为了将两个元件28Ⅰ保持在适当的位置，存在类似于前面例子的bender支撑物27Ⅰ的bender支撑物2711。
由于与参考元件28Ⅱ的一端兼容的至少一个狭槽(没有在附图中示出)的存在，支撑物27Ⅱ不同于支撑物27Ⅰ。
可有利地通过直接在传感器4和/或参考元件28、28I、28II和/或电端子或连接26的至少一部分之上模制材料，特别是通过对聚合或热塑性或热固性或弹性材料二次成形来制造所述支撑物27、27Ⅰ、27Ⅱ。可替代地，可有利地通过将硬化材料或树脂灌注到传感器4和/或参考元件28、28Ⅰ、28II和/或电端子或连接26的至少一部分来制造上所述支撑物27、27Ⅰ、27Ⅱ。所述支撑物27、27Ⅰ、27Ⅱ也可有利地产生密封元件。
第三变体在图13-18中示出。这个变体包括传感器2Ⅲ，其与到目前为止考虑的传感器2、2Ⅰ、2Ⅱ比较有一些区别。
第一区别是，传感器2Ⅲ包括实质上圆形的传感元件4Ⅲ；所述传感元件4Ⅲ包括具有优选由氧化铝制成的、与前面描述的无源元件31具有相同的功能的膜或无源元件31Ⅲ，由此，具有与在前面的例子中描述的有源元件32相同的功能的电极和压电或有源层32Ⅲ是丝网印刷的。
传感器2Ⅲ包括具有与传感元件4Ⅲ的尺寸类似的尺寸的圆形参考元件28Ⅲ，使得它可叠加在其上，从而形成间隙，待测量的流体可在该间隙中流动。
元件28Ⅲ执行与包括在前面的变体中的元件28相同的功能，并包括孔28Ⅲa、28Ⅲb，以允许待测量的液体的层流。
孔28Ⅲa、28Ⅲb都优选地具有椭圆形状，并以径向对称布置。孔28Ⅲa大于孔28Ⅲb，且所述孔28Ⅲa位于元件28Ⅲ的边缘附近，而孔28Ⅲb位于所述元件28Ⅲ的中心处。
较大的孔28Ⅲa提供对流的较小阻力。事实上，它们的主要功能是提高在间隙内的流体的变化。替代地，孔28Ⅲb主要与由传感元件4Ⅲ的变形产生的流体运动交互作用，因为它们比孔28Ⅲa小，并位于传感元件4Ⅲ的中央部分的前面，此处变形最高。
传感元件4Ⅲ被布置成使得它的轴与基座24Ⅲ的轴重合，基座24Ⅲ在形状和功能上类似于主要例子中的基座24。
传感元件4Ⅲ被保持在适当的位置上，和/或通过与传感元件4Ⅲ关联的或被固定到传感元件4Ⅲ的圆形环或密封元件30的作用被密封地定位，其中特别是所述圆形环30作用于bender的无源元件31Ⅲ的整个圆形周边；所述无源元件31Ⅲ确保有源元件32Ⅲ通过静置在基座24上而被正确地定位，并增加传感元件4Ⅲ的总刚度。
这种变体将已经存在于主要实施例中的悬臂概念带到极限。事实上，圆盘形状可通过这样一个过程来得到，在极限的情况下，无限小长度的无限侧面被限制为沿着传感元件4Ⅲ的周边，而不是如在图7所述的情况中仅仅一个侧面被限制。
作为可替代方案，可直接在包括数十微米厚的陶瓷膜和支承它的更厚的圆形陶瓷冠的单块陶瓷结构上通过丝网印刷制造圆形bender，即，通过丝网印刷或将压电有源元件32Ⅲ直接沉积在无源元件31Ⅲ上来制造圆形bender；所述无源元件31Ⅲ是有利地允许增加压电有源元件32Ⅲ的刚度的膜，因而得到已经描述的相同优点。
当传感元件4Ⅲ被供应有交流电时，它沿着在图17到18中示出的轴C-C移动，且具有最长行程的部分是其中心。
传感元件4Ⅲ借助于双极电缆23Ⅲ被供电，双极电缆23Ⅲ将传感元件放置成与类似于在前面的变体中使用的连接器22的连接器22Ⅲ电接触；所述连接器22Ⅲ包括分别连接到包括在双极电缆23Ⅲ中的两个连接器23Ⅲb(如图16所示)的两个电触头。
连接器23Ⅲb中的每个包括提供在有源元件32Ⅲ和连接器22Ⅲ之间的直接电接触的内部电线23Ⅲa，而没有在前面的变体中使用的端子20。
电触头必须相对于膜中心被焊接在周边区域中，以便避免使bender的运动衰减。
在这个变体中，传感元件4Ⅲ不浸没在待测量的液体中，因为只有其一个端面被所述液体包围。
出于限制由传感元件4Ⅲ收集的振动的数量的目的，优选地将所述传感元件4Ⅲ放置在这样的位置上，其中轴C-C垂直于由发动机的操作产生的振动是最大时的方向。
最后，第四变体在图19中示出。这个变体不同于前面的例子，主要因为它包括圆形bender型传感元件4IV的电极的一部分；所述bender 4IV实际上包括位于无源膜的一个端面上的三个压电元件，连同相应的电极，其中无源膜优选地由氧化铝制成。
这个bender 4IV允许通过触头为一个压电有源元件供电，而另一压电有源元件可用作用于测量膜的变体的传感器。当然通过适当地配置电极而可将相同的概念应用于上面描述的矩形bender，即，可能使用具有一个或两个或多个有源元件的bender。
此外，为了确保在bender 4IV和测量电路之间的电接触，这个变体利用已经在主要例子中使用的相同装置，即，接触元件26、端子20、三极电缆23和连接器22。
图20和21示出根据本发明的传感器2的应用的两个例子。
特别是，图20示意性示出了传感器2-2IV的应用的一个例子，其中为了减少废气排放物例如氧化氮(NOx)、一氧化碳和二氧化碳(CO和CO2)以及微粒物质(PM)的目的，所述传感器2-2IV被耦合到用于将添加剂喷射到汽车发动机中的系统。
所述喷射系统利用选择性催化还原(SCR)，其为已知的排放物还原工艺。
实际上，在所述工艺期间，在液体状态中的还原化学剂(例如作为AdBlue在市场上可买到的产品)在存在催化剂的情况下被添加到废气中；还原剂与存在于废气中的氧化氮(NOx)起反应，从而形成水蒸气(H2O)和气态氮(N2)。
为了这么做，液体还原剂必须借助于喷射器被准确地计量。
在图20的例子中，排放控制系统包括与空气入口过滤器101和空气进气管102关联的空气入口导管100，其将过滤器101放置成与包括涡轮机103a和压缩机103的涡轮增压器级流体连通。
排放控制系统与包括排气歧管104a的内燃发动机104关联，其中所述排气歧管104a连接到涡轮机103a，涡轮机103a的出口依次连接到排气管102b，沿着排气管102b有执行SCR催化反应的催化组件106。
空气进气管102与压缩机103的入口流体连通，该入口在下游通过通道107与发动机104的进气歧管104b连通，在这种情况下，冷却级108(也被称为中间冷却器)沿着通道107被安装。
空气流通过入口100被抽吸，在入口100的下游，过滤器101俘获任何悬浮的固体微粒，例如灰尘。一旦被过滤，空气流就进入涡轮增压器103，在它在这里被压缩，并接着被迫进入进气歧管104b中，从而产生压缩的空气流，并给发动机104的汽缸馈送大量空气，馈送的空气多于在没有压缩的情况下它们可获取的空气。
压缩机103通过轴连接到涡轮机103a，其通过来自歧管104a的废气旋转。
在被发送到进气歧管104b之前，离开压缩机103的压缩的空气流通过级108被冷却，即，级108为在离开涡轮增压器的空气进入发动机104之前，将其冷却的(空气/空气或空气/水型的)热交换器。
为了优化SCR系统的操作，使用适当的空气压力和/或温度和/或湿度传感器(没有在附图中示出)，使得控制单元109可最佳地计量还原剂(例如AdBlue)。
为此目的，图20的系统包括位于催化组件106的上游的、用于喷射以液体形式的还原剂的注射器110。
所述还原剂的计量由控制单元109完成，控制单元109控制在选择性催化还原(SCR)反应中涉及的所有物理参数。由喷射器110喷洒的还原剂在它与热废气接触时分解，因而产生氨，氨与催化剂106中的氧化氮起反应并将它们转换成氮和水微粒。控制单元109执行还原剂的准确计量，还原剂被添加到特定的罐111。控制计量过程的电子单元109被连接到发动机电子装置，并基于发动机参数(例如进气温度、水温度、进气流、rpm)产生还原剂和废气的平衡混合，使得还原剂总是以正确的量被喷射。
为了优化这个过程，使用传感器112，其可能对氨(NH)或NOx是敏感的，且其位于在催化剂106的下游的排气管105上。由传感器112执行的检测非常重要，因为它基于这样的检测，使得由喷射器110喷洒的还原剂的最佳数量被调节。
根据本发明，包括至少一个bender传感器2-2IV，以便检测在车辆中使用的还原剂的特性，例如bender 2-2IV适合于，特别是通过连接在罐111和喷射器110之间的导管113，来检测从罐111馈送到在催化组件的上游的管102b的添加剂(例如AdBlue)的特性。
为此目的，bender传感器2、2IV可被直接安装在添加剂罐中和/或安装在将添加剂从罐运送到管102b的所述液压导管113的一部分130中。
传感器2-2IV被连接到控制单元109，以允许根据添加剂的特性进行适当的检测和/或调节。
例如，bender传感器2-2IV可检测或多或少稀释的添加剂/尿素或可变的水含量，且添加剂的计量和/或其它发动机参数将被相应地调节。
图21示出根据本发明的用于控制发动机104所使用的润滑油或油的特性的bender传感器的另一应用变体。这个应用可独立于涉及SCR排放控制系统的前述的应用而实现，或这样的应用可以都存在于相同的燃烧发动机中。
虽然图21还示出催化组件106，为了清楚，只突出涉及发动机润滑电路123的部分，其中发动机润滑电路123包括油或润滑油罐121和油箱104c，油箱104c包括在发动机104中，并通过导管124被连接到所述罐123。
在润滑系统123中，有根据本发明的至少一个bender传感器2-2IV，其可位于发动机中(例如在油箱104c中)和/或在导管124的部分131中，和/或在油过滤器120中，和/或在油罐121中。
根据本发明的传感器对过滤器120的可能应用在图22中是更详细地可见的，图22示出过滤器例如对油、燃料、柴油等的一般过滤器的横截面。
过滤器120包括具有圆柱形几何结构的外部壳体121，其由在螺纹122处拧在一起的两个杯状部分121a、121b构成。
壳体容纳本身已知类型的过滤器托架125，过滤器托架125限制过滤器的轴通道126，bender传感器2Ⅲ被施加到轴通道126的一端。Bender传感器2Ⅲ被固定到壳体121的部分121b，使得它位于过滤器120的导管126内部，经过滤的油在导管126中流动，因而有利地防止对bender传感器2Ⅲ的任何损坏，否则可能由油中的悬浮微粒引起对bender传感器2Ⅲ的损坏。然而bender传感器2Ⅲ也可被安装在过滤器120的上游。
传感器的圆形几何结构非常适合于过滤器120的几何结构，但显然本发明的传感器2、2I、2Ⅱ的其它形状也可结合过滤器120，或更一般地结合壳体的壁，例如这个过滤器的壁，来使用。
这是例如与内燃发动机104相关的油罐121或油箱104c，或如图21、22和23所示的歧管部分类似的歧管部分130、131的情况。
在这种情况下，如上面已经描述的传感器类似的传感器2I被横向应用于歧管130的纵向延伸部分，因而展示根据本发明的传感器的使用的通用性。
换句话说，可以说，从参考本文描述的实施例的各种例子、在上面阐述的结构和操作特征产生的后者的性能，允许根据本发明的bender传感器的很多应用。
根据这样的应用，其它传感器变体也是可能的，例如在图24(a)-24(b)中所示的变体。这些附图示出构成传感元件4的无源元件31和有源元件32的各种示意性表示；这样的元件可被支承在仅一端处(如在图1-10的例子中的)或在两端处(图24(b))。
然而也可借助于刚度环形主体33，例如在图24(c)和24(d)中所示的主体，来支承传感元件4，且特别是其(非压电)无源元件。
作为结果，传感器将可能具有十字形或星形形状，如分别在图24(c)和24(d)中所示的。
上面描述的所有例子和变体可适合于不同类型的流体，传感器专供这些流体使用；特别是，可以是液态、气态或混合态(例如微乳液、悬浮液、泡沫等)的流体可以是油、汽车燃料、洗液或各种添加剂。
此外，在本文被描述和例示为实质上刚度元件的参考元件28-28Ⅲ也可具有另一类型或具有适合于预期目的的材料；例如，可弯曲的材料例如金属薄板，或稍微弹性的材料例如可弯曲的热塑性材料，或刚度弹性体。将对本领域中的技术人员明显的所有可能的变体仍然落在下面的权利要求的范围内；在这个方面，各种细节及其形状可相对于作为例子在本文描述的那些进行改变，且在本文描述和/或示出的单独特征可组合在一起，以创建装置，这些装置可甚至不同于作为非限制性的例子在本文示出的装置。

Claims (18)

1.一种传感器，用于检测流体，尤其是用于车辆的流体，的至少一个特性，例如用于检测液体的密度或粘度，所述传感器包括与所述流体接触的传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，且其中所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的状态被所述流体的所述特性例如密度或粘度中的至少一个影响，且其中所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)包括本德尔型压电有源元件(32,32Ⅲ)，
其特征在于，
所述传感器包括与所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)并列或在所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)附近的至少一个参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)，以便与其一起限定流体路径的至少一部分，在此所述流体的至少一个特性将被检测。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)实质上平行于所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)或其主体部分，或与所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)或其主体部分均匀地间隔开。
3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，还包括与所述有源元件(32,32Ⅲ)相关联的无源元件(31,31Ⅲ)，当检测所述至少一个特性时，所述无源元件(31,31Ⅲ)与所述有源元件(32,32Ⅲ)协作以与所述流体交互作用。
4.如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述有源元件(32,32Ⅲ)实质上具有从下列项当中选择的形状：平行六面体、十字形、多边形、环形和圆形。
5.如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述无源元件(31,31Ⅲ)实质上具有从下列项当中选择的形状：平行六面体、十字形、多边形、环形和圆形。
6.如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，还包括有与所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)相关联的，用于检测所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的谐振频率和/或在固定频率下的其振荡的衰减的装置。
7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，与所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)关联的用于检测所述传感元件的谐振频率和/或其振荡的衰减的所述装置包括测量电路或类似电路。
8.如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，还包括至少一种保护元件(29)，所述保护元件(29)能够保护所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)尤其是免受由液体燃料流和/或由分散在所述液体燃料中的微粒引起的任何扰动。
9.如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述参考元件(28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)包括孔(28Ⅰa,28Ⅱa)，尤其是用于允许所述液体燃料随着层流运动而流动的孔(28Ⅰa,28Ⅱa)。
10.如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，还包括基座或壳体(24)，所述基座或壳体(24)具有至少部分地与包括在燃料导管(1)中的壳体底座(11)兼容的形状。
11.一种燃料导管(1)，包括根据前述权利要求中的任一项的传感器(2-2IV)。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的传感器的用途，用于检测在导管、罐和过滤器中的至少一个中的流体的至少一个特性。
13.根据权利要求12所述的传感器的用途，用于汽车应用。
14.一种检测方法，用于借助于传感器(2-2IV)来检测流体尤其是用于车辆的流体的至少一个特性，例如液体的密度或粘度，
其特征在于，
所述传感器(2-2IV)包括传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)包括本德尔型压电有源元件(32,32Ⅲ)，且其中所述方法包括下列步骤：
a.通过将峰值电压V1施加到所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)来测量所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的第一谐振频率；
b.通过将大于V1的峰值电压V2施加到所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)来测量第二谐振频率；
c.估计所述流体的特性，例如所述液体或燃料的密度或粘度值，其中所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
15.一种检测方法，用于借助于传感器(2-2IV)检测流体尤其是用于车辆的流体的至少一个特性，例如液体的密度或粘度，
其特征在于，
所述传感器(2-2IV)包括传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)包括本德尔型压电有源元件(32,32Ⅲ)，且其中所述方法包括下列步骤：
a.当所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)由对应于其第一振动模式的频率f1激励时，测量第一谐振频率；
b.当所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)由对应于其第二振动模式的频率f2激励时，测量第二谐振频率；
c.估计所述流体的密度和粘度值，例如所述液体或燃料的密度或粘度值，其中所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
16.一种检测方法，用于借助于传感器(2-2IV)检测流体尤其是用于车辆的流体的至少一个特性，例如液体的密度或粘度，
其特征在于，
所述传感器(2-2IV)具有不同的特征，并分别包括第一传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)和第二传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，其中所述第一传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)包括第一有源元件(32,32Ⅲ)，所述第二传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)包括第二有源元件(32,32Ⅲ)，且其中所述方法包括下列步骤：
a.测量所述第一传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的谐振频率；
b.测量所述第二传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的谐振频率；
c.估计所述流体的密度和粘度值，例如所述液体或燃料的密度或粘度值，其中所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
17.如权利要求14到16中的任一项所述的方法，其特征在于，至少一个传感器(2-2IV,4,4Ⅲ,4Ⅳ)与至少一个参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)相关联，其中所述至少一个参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)与所述至少一个传感器(2-2IV,4,4Ⅲ,4Ⅳ)并列，和/或与所述至少一个传感器(2-2IV,4,4Ⅲ,4Ⅳ)协作，尤其是用于与所述流体交互作用，同时检测所述流体的至少一个参数和/或用于与其一起限定流体路径的至少一部分，在此所述流体的至少一个特性将被检测。
18.如权利要求14到17中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器(2-2IV,4,4Ⅲ,4Ⅳ)与多个所述参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)相关联，其中所述参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ)优选地不同于彼此，使得第一传感器(2,2Ⅲ)将具有与第二传感器(2,2Ⅲ)不同的特征。
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