CN104160270B - 声学传感器 - Google Patents

Abstract

一种声学传感器，包括侧壁、发射器和接收器，所述侧壁在每个端部处由端壁封闭以形成大致圆柱形腔、所述发射器和接收器与相应的第一端壁和第二端壁操作性地关联。腔的相关尺寸的特性被构造为产生端壁的期望的振荡运动以及腔中流体的振荡，从而经由接收器产生待从传感器输出的电信号。一组声学传感器可被连接以允许对该组传感器中的一个传感器进行校准。

Description

声学传感器

技术领域

本公开涉及一种共振声学传感器，特别地，涉及一种具有大致盘形声腔的声学传感器，该大致盘形声腔具有大致圆形端壁。

背景技术

通过测量气体混合物中的声速而确定该混合物的成分的设备在现有技术中众所周知。两种最流行的声学技术为飞行时间技术和共振腔技术。每种类型的设备的缺点和局限性已经在现有技术(EP0813060)中被描述并将在此被再次概括。

飞行时间技术(例如，US5,060,506和US5,627,323)使用一对换能器发送和接收短(通常为微妙量级)的声能脉冲。通过测量这些脉冲通过测试流体行进已知距离的时间而确定声速。在上面提及的设备中，二元气体混合物的成分由这种测量而确定。这种设备的典型的问题包括信号衰减、回声、尺寸稳定性、差的温度补偿、寄生传导(parasiticconduction)以及差的脉冲成形和脉冲波形失真。这些问题限制飞行时间设备的性能和长期稳定性。

共振腔设备(例如，US3,848,457，EP0813060和US6,378,372)测量声腔的共振频率。当声腔被填充流体时，腔的共振频率与流体的成分直接关联。在现有技术中描述的该设备的主要局限性在于难以有效地激发腔中的单一主要共振模式。在传感器内可能存在许多竞争的共振模式，包括：径向、轴向、纵向以及方位角模式。这使得对传感器的输出的解释变得复杂。发射换能器(发射器)的典型的纵向运动与腔的共振模式之间差的耦合以及腔的共振模式与接收换能器(接收器)之间差的耦合产生差的信号。接收器中诸如从发射器通过设备的结构传递到接收器的寄生信号之类的电噪声的源或者诸如隔膜的部件的机械共振可能为与信号本身可比较的量级。

基于亥姆霍兹振荡器的设备也有上述共振传感器的缺点，例如，在应用物理快报第82卷第25期第4590页中公开的现有技术。在这种设备中，在腔的孔的颈部中的空气振动，从而在该腔中引起抵抗颈部中的空气运动的压力振荡，导致简谐运动。在上述出版物中描述的实施例中，由腔中流体的密度以及声速的改变而引起的声强度的改变被用于测量氢气和空气的混合物的成分。这种设计具有另外的缺点：共振腔中的单个孔防止流体流穿过传感器腔，这对于快速响应时间以及易于集成至流体系统中是期望的。

考虑到飞行时间以及现有的共振腔声速传感器的缺点，需要能够有效地产生明显比竞争的共振模式以及寄生振荡大的共振的声速传感器。在腔的共振频率处有效产生大振幅的径向模式压力振荡克服现有技术的许多局限。

共振声驻波的有效产生已经在流体泵领域被解决。专利申请WO2006/111775、WO2009/112866、WO2010/139916和WO2010/139918公开了具有高纵横比(即，腔的半径与腔的高度的比率)的大致盘形腔的泵，其在操作时在这些腔中产生共振声驻波。

在WO2006/111775的图1中公开的泵具有包括侧壁14的大致圆柱形腔11，侧壁14在每个端部均由端壁12、13封闭。泵还包括驱动一个或两个端壁沿大致垂直于端壁的平面的表面的方向振荡(在下文中称为“轴向振荡”)的致动器20。在这种几何形状中，致动器20的机械刚度与腔的声阻抗良好匹配，使得有效产生高振幅的压力振荡。

在这种腔中压力振荡的有效产生进一步取决于腔中流体振荡的空间轮廓与所驱动的端壁的运动的匹配。当空间轮廓被良好匹配时，由致动器对腔中流体所做的功建设性地增加，由此增加腔中压力振荡的振幅并实现改进的泵送效率，在此也称为振形匹配。相反，在空间轮廓被较差匹配的泵中，由端壁的一些区域对流体所做的功减小而不是增加腔内流体中流体压力振荡的振幅。因此，由致动器对流体所做的有用功减少，泵变得低效。

上述原理在此被应用于共振声学传感器的设计中，其中发射器(其被驱动)和接收器(其为被动的)与盘形腔的相对端壁操作性地关联。由于这种几何形状，在操作时，这种设备的发射器和接收器的机械刚度很好地匹配腔中盘形流体空间(volume)的声阻抗。盘形几何形状同样适于实现发射器和接收器的位移轮廓与腔中的径向流体压力振荡之间良好的空间匹配。这些特性的组合能够实现通过发射器的高振幅压力振荡的有效产生和从接收器的输出信号的有效产生，从而克服现有技术的一些局限。

发明内容

在本发明中，一种共振声学传感器被设计为具有大致盘形声腔，该大致盘形声腔具有大致圆形端壁。换能器(在此被称为发射器)与一个端壁操作性地关联以引起关联的端壁的振荡运动，由此在使用时端壁的这些轴向振荡驱动腔中的流体压力的径向振荡。腔中的径向压力振荡引起与第二换能器(在此被称为接收器)操作性关联的第二端壁的轴向运动，进而产生振荡电信号。通过比较用于驱动发射器的信号与由接收器产生的信号，能够确定声腔中流体的特性。

根据本发明，提供一种声学传感器，包括：

侧壁，在每个端部由端壁封闭以形成大致圆柱形腔，该大致圆柱形腔在使用时包含流体；

发射器，与端壁中的第一端壁操作性地关联；

接收器，与端壁中的第二端壁操作性地关联；

其中腔的半径a和腔的高度h满足以下不等式：

a/h大于1.2；并且

其中，在使用时，发射器引起第一端壁沿大致垂直于端壁的平面的方向的振荡运动；

从而端壁的轴向振荡驱动腔中的流体压力的大致径向振荡；并且

流体压力的大致径向振荡驱动与接收器关联的端壁的振荡运动，由此产生电信号。

为了避免由于流体粘度引起的过阻尼，比率h²/a可大于4×10^-10m。在腔中的流体为气体的情况下，比率h²/a可大于1×10^-7m。在操作时或在使用时，腔中实现的径向压力振荡的最低共振频率可大于20kHz，使得人类听不见该设备。

在使用时，第一端壁的轴向振荡可在腔中驱动高阶径向模式的压力振荡。

端壁运动可与腔中的压力振荡振形匹配，并且另外或可替代地近似于贝塞尔函数的形式。发射器或接收器可为压电设备，并可由诸如例如电致伸缩或磁致伸缩材料的任何电活性物质或电磁活性材料制成。发射器或接收器可包括柔性膜。

用于检测腔中的流体压力的共振振荡的机构可包括用于测量相对于用于驱动发射器的电信号的振幅的来自接收器的电信号的振幅的机构。用于检测腔中的流体压力的共振振荡振的机构可包括用于测量相对于用于驱动发射器的电信号的来自接收器的电信号的相位的机构。

声学传感器可被布置为使得发射器或接收器的共振与腔的共振不会显著重叠。优选地，腔的共振频率与发射器和传感器的共振频率有以下表达式描述：

(f_腔+f_腔/Q_腔)<(f_换能器-f_换能器/Q_换能器) [方程式1]

其中f_腔为腔的共振频率，Q_腔为该共振的品质因数，f_换能器为发射器或接收器的共振频率并且Q_换能器为该共振的品质因数。本发明可进一步提供两个或更多个声学传感器，其中至少两个传感器腔由共同的端壁分离。一个或更多个传感器可被布置为允许对一个或更多个其它传感器进行包括温度、流体压力、热膨胀或机械漂移的因素的校准。至少一个传感器可被装入壳体中。壳体的流体入口可被集合(manifold)到传感器的流体入口，并且传感器的流体出口将流体输出到传感器与壳体之间的空间中。

传感器或传感器组可进一步包括与腔的侧壁和或端壁操作性地关联的温度传感器。传感器或传感器组可进一步包括通过传感器的端侧壁或一个或更多个端壁的材料的导管，其中，在使用时，流体通过该导管流入腔中。加热器可与腔的侧壁和或端壁操作性地关联。侧壁或一个或更多个端壁可由具有大于50Wm^-1k^-1的导热率的材料制成。

附图说明

图1示出声学传感器的一实施例的示意性截面、传感器的第一端壁的位移轮廓、传感器的腔内的压力振荡图以及传感器的第二端壁的位移轮廓。

图2示出声学传感器的一实施例的腔共振附近的发射器与接收器之间的典型的相位差和增益。

图3示出声学传感器的数个实施例的腔的入口和出口的布置。

图4示出声学传感器的实施例，其中共振腔的一个或更多个端壁部分地由柔性膜组成。

图5示出具有两个共振声腔(一个测试腔和一个参考腔)的声学传感器的实施例。

图6示出被装入壳体内使得发射器和接收器各处压力差降低的声学传感器的实施例。

图7示出具有集成的温度计并具有通过传感器的流体路径的声学传感器的实施例，流体路径被设计为减小流体与声学传感器之间的温度差。

具体实施方式

在下面数个例示性实施例的详细描述中，参照形成其一部分的附图，在附图中通过例示的方式示出特定的优选实施例，本发明可在该特定的优选实施例中被实施。这些实施例被描述得足够详细，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解可以利用其它实施例并且在不背离本发明的精神或范围的情况下可以作出逻辑结构、机械、电学和化学上的变化。为了避免对于本领域技术人员实施在此描述的实施例而言为不必要的细节，描述可省略对于本领域技术人员已知的某些信息。因此，下面的详细描述不是采用限制的意义，并且例示的实施例的范围仅由所附权利要求限定。

图1示出根据本发明的声学传感器1的示意性图示。腔2由端壁3和4以及侧壁5限定。腔2的横截面如所示为大致圆形，但是可使用其它合适的形状，诸如椭圆形。由于具有在WO2006/111775中公开的泵，本发明可描述为具备大致盘形腔。在本发明中，圆柱形腔被认为提供最佳性能。然而，具有非圆形横截面的腔在某种程度上也可以是有效的。这样，就本发明而言，在此限定的大致圆柱形腔可包括具有非圆形横截面和/或非平行壁的腔，以及具有截头圆锥形端壁的腔，或者具有在两个端壁之间变化的横截面的腔。虽然表达为圆柱形形式，但是在此描述的特性和比率在使用具有变化的和/或非圆形横截面的腔时可应用于腔的平均或最大高度或半径。在操作时，传感器产生径向声学压力振荡。特别地，当腔半径a大于1.2倍的腔高度时，即a/h>1.2，腔中流体的振荡的最低频率径向振荡模式具有比腔的任何纵向模式更低的频率。在操作时，优选最低频率径向模式处于20kHz或更高的频率，以使设备在操作时是听不见的。大约20kHz或更高的频率提供高于人类正常听力极限的操作。

为了避免由于腔中流体的高粘滞损失引起的低效率操作，腔的高度应该为流体中的粘滞边界层的厚度的至少两倍：

[方程式2]

其中μ为流体的粘度，ρ为流体的密度，c为流体中的声速，k₀为第一类一阶贝塞尔函数的导数的第一根，其描述最低频率径向模式压力振荡的形状且为常数。重新整理上述表达式并代入密度和粘度的标准值，当腔中的流体为气体时，h²/a应该大于1×10^-7m，而当腔中的流体为液体时，h²/a应该大于4×10^-10m。这种传感器的腔的高度通常小于8mm，从而设备紧凑。除了紧凑传感器的显而易见的商业利益之外，这还减少了设备中的流体体积，从而增加传感器能响应流体特性变化的速度。

在图1中所示的实施例中，第一端壁3由盘6的下表面限定。侧壁由环7限定。发射器包括附接到盘6的压电盘8。当适当的电驱动被施加时，发射器被促使沿大致垂直于腔2的平面的方向振动，由此在腔中的流体内产生径向压力振荡。盘6具有较薄的中心区域和较厚的外部区域，这减少了操作时盘的外部部分的运动，由此减少寄生振荡通过传感器的结构向接收器的传递。压电盘8不需要由压电材料形成，但是可以由诸如电致伸缩或磁致伸缩材料的任何电活性材料形成。这样，术语“压电盘”旨在也涵盖电致伸缩盘或磁致伸缩盘。

图1B示出腔的第一端壁沿与腔相交的线的典型的位移轮廓。实曲线和箭头表示在一时间点的壁位移，而虚曲线表示半个周期之后其位移。应当注意，在该图和其它图中所示的位移被放大，并且为了清楚起见，压电盘从图中省略。

图1C示出图1A和图1B中所示的腔的典型的压力振荡轮廓。实曲线和箭头表示在一时间点的压力，而虚曲线表示半个周期之后的压力。该压力振荡的径向关系式p(r)近似于贝塞尔函数的形式：

[方程式3]

其中p₀为压力振荡的最大幅值，J₀为第一类一阶贝塞尔函数，k₀为该函数的导数的第一根，r为腔中的径向位置，a为腔的半径。在这种情况下，第一端壁3的运动以及腔中的压力振荡示出显著的振形匹配。图1中公开的实施例示出一种声学传感器，其中在使用时，径向压力振荡的最低频率(也称为最低阶或基本)模式在腔中产生。声学传感器可以被具体化，其中在使用时，产生具有比基本模式高的共振频率的径向模式的压力振荡。这些更高频率的振荡也称为腔中压力振荡的高阶径向模式。

图1C中所示的腔中的压力振荡驱动第二端壁4位移。图1D中示出该位移。应当推出图1B、图1C和图1D中所示的振荡之间没有相位关系。

接收器包括附接到盘10的压电盘9。第二端壁4的位移促使通过压电盘9产生电信号。通过比较用于驱动发射器的信号以及由接收器产生的信号，可以确定声腔中的流体的特性，例如二元气体混合物的成分、已知流体的温度、流体的密度或流体的粘度。

这里公开的声学传感器可被用于测量流体或流体混合物中的声速。方程式3中公开的压力振荡的共振频率f₀由以下表达式描述：

(方程式4)

其中k₀为第一类一阶贝塞尔函数的导数的第一根，c为腔中的声速，a为腔的半径。压力振荡的共振频率通过观察发射器与接收器之间的电振幅增益最大时的频率而确定。实施此的一个方法常常为扫描到达发射器的电驱动信号的频率，记录每个频率时的增益。类似地，通过比较发射器的输入信号与接收器的输出信号的相位可以确定共振频率。实施此的一个方法常常为扫描驱动信号的频率并记录发射器与接收器之间的相位差为某一恒定值时的频率。图2示出发射器与接收器之间的相位差以及在此描述的传感器的实施例的电增益。通过准确测量声速而实现的一个应用为确定二元气体混合物的成分。将二元气体的成分与流体的声速联系起来的方程式是众所周知的且在现有技术中(EP0813160)被概括。

上面描述的接收器与发射器也可以示出共振行为，使得在某些频率处发射器将示出每伏特电驱动信号增大的位移，并且接收器对于给定位移将产生增大的电压。如果这些共振中的任一共振与腔的共振处于相似的频率，则传感器的信号可能模糊。因此，期望发射器或传感器不存在大致与腔重叠的共振。用安装到基板的压电盘制造的发射器或接收器的共振频率通过改变压电盘或基板的厚度或刚度而被调节。进一步期望发射器和传感器的机械品质因数达到最小，由此降低任意共振行为的振幅。在此描述的设计的发射器和接收器的品质因数可通过选择由具有低机械品质因数的材料制成的压电盘而被降低。优选地，压电材料应当被选择为具有低机械品质因数以及沿极化方向(d₃₁)的高压电耦合系数。

为了提高这些测量的准确性，可以测量流体的诸如温度、压力和相对湿度的其它特性。测量这些特性的机构可以集成到这里公开的传感器中。

在此公开的传感器的腔被提供有一个或更多个孔，该一个或更多个孔可位于腔的侧壁或端壁中的任意位置处。在操作时，这些孔中的至少一个允许流体进入腔(入口)，并且这些孔中的至少一个允许流体离开腔(出口)。在图3A中所示的实施例中，孔11位于相对的端壁3、4中。在操作时，入口和出口的功能可以互换或者它们可以如图3B中所示在相同的端壁中。孔可以如图3C中所示位于侧壁中，或者如图3D中所示位于侧壁和端壁的一些组合中。入口和出口的作用为允许测试流体流过腔同时对腔中流体的压力振荡的干扰最小。为此，入口和出口最优选如图3E中所示位于压力振荡的波节位置。

在图4A所示的实施例中，第一端壁3由盘6的下表面部分限定，盘6经由柔性膜12附接到环7，该柔性膜形成第一端壁的剩余部分。利用这种柔性膜的优点在于发射器和/或接收器运动与流体中的压力振荡之间改进的振形匹配。第二个优点在于发射器和接收器之间改进的机械隔离，由此减少寄生信号从发生器通过设备的结构到接收器的传递。图4B示出两个端壁由柔性膜部分限定的实施例。

流体中的声速取决于温度，所以对传感器进行温度校准是重要的。未补偿的温度变化改变腔中流体的声速，掩盖诸如变化的成分之类的其它特性。而且，温度的变化可通过热膨胀而改变腔的直径，由此改变腔对于给定流体的共振频率。已知将传感器的输出与第二传感器的输出进行比较，第二传感器测量被供应有未更改的流体或供应有密封在其中的参考流体的第二“参考”声腔的性能(例如，US3,848,457)。假设参考腔与“测试”腔紧密热接触，该技术可用于本发明的温度校准。

在图5A中所示的实施例中，测试声腔13被直接安装在参考声腔14上方。每个腔具有由压电材料盘构成的且与腔的端壁操作性地关联的发射器15。每个腔的第二端壁由附接到盘17的压电材料盘16形成，盘17分离两个腔。通过测量参考声腔的共振频率，可以测量传感器的温度，其然后可被用于校准测试腔的数据。

图5B中所示的实施例用柔性膜18替代分离参考腔与测试腔的盘。这具有的优点是使从发射器通过设备的结构行进到接收器的寄生信号减少。在优选实施例中，膜由高导热材料的箔制造，导致参考腔与测试腔之间的改进导热性。在图5C中所示的实施例中，发射器和接收器也安装在柔性膜18上。在图5D所示的实施例中，接收器19由与压电材料盘21操作性地关联的盘20组成。图5中所示的发射器和接收器的功能以及测试腔和参考腔的相对位置在另外的实施例中可互换。

图6中所示的实施例示出在封闭的壳体22内的共振声学传感器。壳体具有集合到传感器24的入口的流体入口23，以产生压力紧密封。传感器25的出口未被集合到壳体26的出口，使得流体能够自由进入传感器与壳体之间的空间中。这避免测试流体与围绕传感器的流体之间的压力差。由于其不会在发射器或接收器上诱发额外的力，由此避免腔空间的变形(这可能改变腔的共振频率)以及在压电盘上诱发的应力(这可能改变发射器或接收器的电性能)，因而这是优选的。

图7中所示的实施例示出具有集成的温度传感器27的声学共振传感器，该集成的温度传感器可为电阻温度计、热电偶、硅带温度传感器、热敏电阻或红外温度计。在图7B中所示的实施例中，环29和形成腔的第一端壁的盘28进一步包括导管30以将流体从传感器入口31传递到腔入口32。该导管的目的在于允许导管中的流体与包括盘28、33和环29的传感器的主体之间的热传递，由此允许流体达到与传感器的主体相同的温度。导管具有通过形成盘28、33、环的材料或与传感器的主体良好热接触的任何其它材料的任意数量的路径。导管的长度应该使得流体能达到与传感器的温度接近的温度，该长度将取决于流体的特性(包括导热性、密度、粘度以及热容)，形成导管的材料的特性(导热性、热容)、流体的流动速率以及流体与腔之间期望的最大温差。

图7C以俯视图示出通过环29的导管的形状。如果盘和腔主体由具有比流体高的比热容的材料制成，则这将导致腔中流体(和盘)的温度的较慢变化，由此降低温度测量的复杂性。在优选实施例中，主体和盘由高导热材料制成。在更优选实施例中，主体和盘由铝制成。将温度计与盘接触而不是与流体本身接触对于诸如气体的低导热性流体具有另外的益处，温度计对由于诸如通过任何电连接到温度计的热传导之类的其它源的温度波动不敏感。避免流体与温度计之间的直接接触在处理可能腐蚀或损坏传感器的流体或者仅可接触经许可的材料以避免污染(例如，对于医学应用)时也具有优点。

在图7中公开的设计的改进中，温度计17可被用于控制与形成声腔的端壁或侧壁的一些部分的材料操作性地关联的加热器。这将允许腔的恒温控制，使得腔中的流体的温度基本独立于到达传感器的入口的流体的温度。这将允许更准确地校准传感器的输出。

Claims (18)

1.一种声学传感器(1)，包括：

侧壁(5)，在每个端部处由端壁封闭以形成大致圆柱形腔(2)，该大致圆柱形腔(2)在使用时包含流体；

发射器(8)，与所述端壁中的第一端壁(3)操作性地关联；

接收器(9)，与所述端壁中的第二端壁(4)操作性地关联；

其中所述腔(2)的半径a和所述腔(2)的高度h满足以下不等式：

a/h大于1.2；并且

其中，在使用时，所述发射器(8)引起所述第一端壁(3)沿大致垂直于所述端壁的平面的方向的振荡运动；

从而所述端壁的轴向振荡驱动所述腔(2)中的流体压力的大致径向振荡；并且

流体压力的大致径向振荡驱动与所述接收器(9)关联的所述端壁(4)的振荡运动，由此产生电信号。

2.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中比率a/h大于2。

3.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中h²/a大于4×10^-10m。

4.根据权利要求3所述的声学传感器(1)，其中所述腔(2)中的流体为气体，并且其中比率h²/a大于1×10^-7m。

5.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中，在使用时，所述腔(2)中的流体压力的大致径向振荡的最低共振频率大于20kHz。

6.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中所述发射器(8)或接收器(9)为压电设备。

7.根据权利要求6所述的声学传感器(1)，其中所述发射器(8)或接收器(9)包括柔性膜。

8.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中用于检测所述腔(2)中的流体压力的共振振荡的机构包括用于测量所述发射器(8)与所述接收器(9)之间的电振幅增益的机构。

9.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中用于检测所述腔(2)中的流体压力的共振振荡的机构包括用于测量用于驱动所述发射器(8)的电信号与来自所述接收器(9)的电信号之间的相位差的机构。

10.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，被布置为使得所述发射器(8)和/或所述接收器(9)的共振与所述腔(2)的共振不会显著重叠。

11.根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器(1)，其中所述传感器(1)被装入壳体(22)中。

12.根据权利要求11所述的声学传感器(1)，其中所述壳体的流体入口(23)被集合到所述传感器(1)的流体入口(24)并且所述传感器的流体出口(25)将流体输出到所述传感器(1)与所述壳体(22)之间的空间中。

13.根据权利要求1-10中任一项所述的声学传感器(1)，进一步包括与所述腔的所述侧壁和/或端壁(3，4)操作性地关联的温度传感器(27)。

14.根据权利要求1-10中任一项所述的声学传感器(1)，进一步包括穿过所述传感器(1)的所述侧壁或者一个或更多个所述端壁的材料的导管(30)，其中，在使用时，流体通过所述导管流入所述腔(2)中。

15.根据权利要求1-10中任一项所述的声学传感器(1)，进一步包括与所述腔(2)的所述侧壁和/或端壁(3，4)操作性地关联的加热器。

16.根据权利要求1-10中任一项所述的声学传感器(1)，其中所述侧壁或一个或更多个所述端壁(3，4)由具有大于50Wm^-1k^-1的导热率的材料制成。

17.一种传感器组，包括两个或更多个根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器(1)，其中至少两个传感器腔(13，14)由共同的端壁分离。

18.一种传感器组，包括两个或更多个根据权利要求1-16中任一项所述的声学传感器(1)，其中一个或更多个所述传感器(1)被布置为允许对一个或更多个其它传感器(1)进行包括温度、流体压力、热膨胀或机械漂移的因素的校准。