CN109443406B - 声学流体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声学流体传感器，包括声学传感装置、实验容器、超声波发射装置、超声波接收装置及计算处理装置，声学传感装置包括用于装盛负载流体的中空圆柱壳体，及设置在中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管，超声波发射装置向环境流体中发射超声波，激励中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte‑Stoneley圆周波，当Scholte‑Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，计算处理装置根据归一化后的透射谱数据确定声学流体传感器的品质因子。本发明产生的局域声场与负载流体具有较大的耦合程度，可以提高声学流体传感器的品质因子和灵敏度，适合微量流体的高灵敏传感。

Description

声学流体传感器
技术领域
本发明涉及流体检测技术领域，尤其涉及一种声学流体传感器。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
在生化检测、临床医学、环境监测以及食品安全监控等领域，利用声学流体传感器快速、精确地检测流体的参数(例如成分、密度、弹性模量、声速以及黏度等)，有着重要的应用价值。声学流体传感器在周围流体媒介的属性(例如机械、化学、电学属性)发生变化，能够察觉例如频率、幅度、相位等共振模式的偏移，从而实现对流体的传感和检测。
现有的声学流体传感器主要包括表面波传感器、Lamb波传感器和声子晶体传感器等。表面波流体传感器是利用压电基片表面上传播的波，并通过物理、化学参量对声波传播特性的扰动对待测参量进行检测。Lamb波传感器是利用Lamb波在薄板中传播的声波，通过放置在压电薄板一个表面上的叉指换能器来激发并在压电薄板中传播。声人工结构(声子晶体、声超常材料等)是人工设计的复合结构材料，其利用周期结构中的布拉格散射、单体结构中的局域共振等效应，实现对声波、弹性波的灵活调控，是近年来物理学、材料学领域备受关注的研究热点。声人工结构的相关物理性质可以“人工裁剪”，为新型功能器件的研制提供了坚实物理基础，高灵敏传感器是声人工结构在新型功能器件的一个主要应用方向。目前已有人提出将声子晶体缺陷态、周期圆孔声子晶体板反常透射增强峰、声子晶体共振腔模式等用于声学流体传感器，实现对流体的检测。
但传统的声学流体传感器存在品质因子低、灵敏度低的缺陷。
发明内容
本发明实施例提供一种声学流体传感器，用以解决传统的声学流体传感器存在的品质因子低的缺陷，该声学流体传感器包括：
声学传感装置、实验容器、超声波发射装置、超声波接收装置以及计算处理装置；
所述声学传感装置包括用于装盛负载流体的中空圆柱壳体，及设置在所述中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管；
所述实验容器用于装盛环境流体，所述中空圆柱壳体浸没于所述环境流体中，所述声学传感装置设置在所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间；
所述超声波发射装置向所述环境流体中发射超声波，激励所述中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当所述Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在所述中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，所述超声波接收装置接收经过所述声学传感装置后的超声波；
所述计算处理装置根据第一透射谱数据和第二透射谱数据确定归一化后的透射谱数据，根据归一化后的透射谱数据确定所述声学流体传感器的品质因子；其中，所述第一透射谱数据是指在不包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据，所述第二透射谱数据为包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据。
本发明实施例中，声学流体传感器包括声学传感装置、实验容器、超声波发射装置、超声波接收装置以及计算处理装置；声学传感装置包括用于装盛负载流体的中空圆柱壳体，及设置在中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管。本发明实施例中，利用超声波发射装置向环境流体中发射超声波，激励中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，此时产生的局域声场与负载流体具有较大的耦合程度，因此，可以提高声学流体传感器的品质因子和灵敏度，适合微量流体的高灵敏传感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例提供的声学流体传感器的功能模块图；
图2为本发明实施例提供的声学流体传感器的示意图；
图3示出了本发明实施例提供的Scholte–Stoneley圆周波的相速度色散曲线示意图；
图4为图3中b:a为4:5相速度色散曲线不同周向共振模态n＝2-6的共振声压场分布示意图；
图5a为本发明实施例提供的声学流体传感器中中空圆柱壳体的三维立体示意图；
图5b为本发明实施例提供的声学流体传感器中中空圆柱壳体的平面示意图；
图6a-图6d为本发明实施例提供的样品1、样品2、样品3以及NaI溶液四种标准流体的溶液浓度、密度及声速度关系示意图；
图7为本发明实施例提供的四种不同标准流体的溶液浓度和共振频率的关系示意图；
图8为本发明实施例提供的NaI溶液在不同溶液浓度下模拟计算得到的共振频率及透射幅度的示意图；
图9为本发明实施例提供的NaI溶液在不同溶液浓度下实际实验得到的共振频率及透射幅度的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
发明原理
实验时在中空圆柱壳体中注入负载流体，当某一本征频率的平面简谐波垂直于轴线入射到有限长中空圆柱壳体时，中空圆柱壳体内部的负载流体(标准流体或待测流体)激发起沿着中空圆柱壳体绕行的Scholte–Stoneley圆周波。在Scholte–Stoneley圆周波的相速度满足相位匹配的条件时，Scholte–Stoneley圆周波会在中空圆柱壳体的圆周方向形成驻波引起从而产生环绕在中空圆柱壳体周围的局域强场。当中空圆柱壳体的内径与外径的比越大，即中空圆柱壳体越薄，局域声场与负载流体的耦合程度越大，局域声场的强度会越强。因而，仅需在中空圆柱壳体中注入微量流体(负载流体，即标准流体或待测流体)，即可获得较强的局域声场，因而声学流体传感器的品质因子就越高、灵敏度(即共振频率的最大偏移值)越佳，越适合于微量流体地高灵敏传感。中空圆柱壳体的内径与外径、强局域声场，以及超声波与物质的相互作用，决定了中空圆柱壳体结构的声学流体传感器系统对流体密度和声速度的变化(尤其是对密度的变化)较为敏感。当选择密度变化显著的流体时，共振透射峰值会出现明显的偏移，因此，中空圆柱壳体结构的声学流体传感器具备较高的灵敏度。利用中空圆柱壳体结构的强局域声场，可实现对基于中空圆柱壳体结构在新型高灵敏和微量流体传感器上的应用。
图1示出了本发明实施例提供的声学流体传感器的功能模块，为便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图1所示，声学流体传感器包括声学传感装置、实验容器、超声波发射装置、超声波接收装置以及计算处理装置。
所述声学传感装置包括用于装盛负载流体的中空圆柱壳体，及设置在所述中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管。其中，在确定声学流体传感器的品质因子时，负载流体为参数已知的标准流体，标准流体用于确定共振频率与流体密度或者流体浓度的关系。在利用参数已知的标准流体确定共振频率与流体密度或者流体浓度的关系后，即可依据测得的待测流体的共振频率来反推待测流体的密度和浓度。其中该标准流体可以为水、NaI溶液(碘化钠溶液)，或者其他混合溶液等。
所述实验容器用于装盛环境流体，所述中空圆柱壳体浸没于所述环境流体中，所述声学传感装置设置在所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间。其中，所述环境流体可以为水、NaI溶液(碘化钠溶液)，或者其他混合溶液等。
所述超声波发射装置向所述环境流体中发射超声波，激励所述中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当所述Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在所述中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，所述超声波接收装置接收经过所述声学传感装置后的超声波。
所述计算处理装置根据第一透射谱数据和第二透射谱数据确定归一化后的透射谱数据，根据归一化后的透射谱数据确定所述声学流体传感器的品质因子；其中，所述第一透射谱数据是指在不包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据，所述第二透射谱数据为包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据。
该声学流体传感器的工作原理是：在超声波的激发下，中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当所述Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在所述中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，经过所述中空圆柱壳体后的超声波的频谱中具有共振透射峰。获取不包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的第一透射谱数据，以及获取包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的第二透射谱数据，将第一透射谱数据和第二透射谱数据进行归一化，确定归一化后的透射谱数据，进而根据归一化后的透射谱数据确定所述声学流体传感器的品质因子。
其中，在确定声学流体传感器的品质因子时，负载流体为参数已知的标准流体，标准流体用于确认共振频率与流体密度或者流体浓度的关系。在利用参数已知的标准流体确定共振频率与流体密度或者流体浓度的关系后，即可依据测得的待测流体的共振频率来反推待测流体的密度和浓度。即先利用参数已知的标准流体测定声学流体传感器的共振频率，进而再将待测流体注入到中空圆柱壳体中，根据共振频率倒推出待测流体的各项参数。
基于该声学流体传感器的工作原理可知，只有在超声波的激发下，中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当所述Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在所述中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，经过所述中空圆柱壳体后的超声波的频谱中具有共振透射峰的情况下，该声学流体传感器才能实现检测的目的。
发明人在研究本发明的过程中发现，超声波的频率、中空圆柱壳体的结构尺寸、以及中空圆柱壳体中装盛的负载流体(标准流体或待测流体)的参数，是影响中空圆柱壳体能否形成Scholte-Stoneley圆周波，进而在中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场的关键因素，也是影响超声波经过所述中空圆柱壳体后频谱中能否出现共振透射峰的关键因素。另外，发明人还发现，声学流体传感器中的中空圆柱壳体的内径与外径的比值是影响局域声场与负载流体耦合程度的关键因素，也是影响局域声场强度的关键因素。发明人研究发现，声学流体传感器中的中空圆柱壳体的内径与外径的比值越大，即中空圆柱壳体越薄，在中空圆柱壳体周围形成驻波产生的局域声场的强度越强。试验表明，相比于传统的声学流体传感器，本发明提供的声学流体传感器具有更高的品质因子和灵敏度，尤其对于密度与声速度变化相反的流体，该声学流体传感器具有较高的灵敏度。
在进一步的实施例中，所述中空圆柱壳体的材质包括聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、铜、铝以及钢。在其他的实施例中，所述中空圆柱壳体的材质还包括玻璃，更进一步的，所述中空圆柱壳体的材质为透明的石英玻璃材质。以透明的石英玻璃作为中空圆柱壳体的制作材料，便于实验时实时检监测不同流体具有颜色变化的化学反应，更为灵活的承载流体以适应不同的应用场合。
在进一步的实施例中，所述中空圆柱壳体的内径与外径的比值介于0.5-1之间。发明人研究发现，声学流体传感器的中空圆柱壳体越薄，在中空圆柱壳体周围形成驻波产生的局域声场的强度越强。
在进一步的实施例中，所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器以及超声波发射探头。所述信号发生器用于产生脉冲信号，所述功率放大器用于对所述脉冲信号放大后激励所述超声波发射探头产生超声波。
在进一步的实施例中，所述超声波接收装置包括超声波接收探头和模数转换模块，所述超声波接收探头用于接收经过所述声学传感装置后的超声波；所述模数转换模块用于将经过所述声学传感装置后的超声波模拟量转换为电信号。
在进一步的实施例中，所述声学流体传感器还包括承载固定装置，所述承载固定装置用于将所述声学传感装置承载固定设置在所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间。该承载固定装置一方面可以将声学传感装置承载固定在超声波发射装置和超声波接收装置之间，另一方面还可以保证超声波能够通过声学流体传感器的中空圆柱壳体。
在进一步的实施例中，所述承载固定装置包括透声膜，所述透声膜固定设置在所述中空圆柱壳体的下方，且透声膜与实验容器的底部平面平行设置。
在进一步的实施例中，所述环境流体和所述负载流体为相同的流体或者不同的流体。例如，实验容器中的环境流体可以是水，中空圆柱壳体中的负载流体为NaI溶液；或者实验容器中和中空圆柱壳体中均为NaI溶液，又或者实验容器中和中空圆柱壳体中均为水等。本发明对此不做特别的限制。
在进一步的实施例中，通过如下方式确定所述声学流体传感器的品质因子：
根据所述声学流体传感器的本征方程确定所述声学流体传感器的角频率；
根据所述角频率确定所述声学流体传感器的共振频率；
根据所述共振频率和声学流体传感器的带宽确定所述声学流体传感器的品质因子。
在本发明实施例中，本征方程是指如果算符作用于函数等于一个常数g乘以该函数，则该方程为系统的本征方程，其中，该函数称为算符的本征函数，g是算符的对应于本征函数的本正值。在确定所述声学流体传感器的品质因子，可用公式表示为：Q＝f/F，ω＝2πf；其中，Q为声学流体传感器的品质因子，f为声学流体传感器的共振频率，F为声学流体传感器的带宽，ω为声学流体传感器的角频率。角频率ω可通过所述声学流体传感器的本征方程确定。
在进一步的实施例中，声学流体传感器的本征方程为：
Det(Dn)＝D(n,ω)＝0；
其中，n为共振模态数目，ω为该本征方程最低阶的解，Dn为多行多列、且具有多个非零元素的方阵。
在进一步的实施例中，所述Dn为六行六列、且具有如下28个非零元素的矩阵：
Figure BDA0001835346050000061
Figure BDA0001835346050000071
Figure BDA0001835346050000072
d14＝2n[kT2aJ'n(kT2a)-Jn(kT2a)；
d15＝2n[kT2aY'n(kT2a)-Yn(kT2a)；
Figure BDA0001835346050000073
d22＝kL2aJ'n(kL2a)；
d23＝kL2aY'n(kL2a)；
d24＝nJn(kT2a)；
d25＝nYn(kT2a)；
d32＝2n[Jn(kL2a)-kL2aJ'n(kL2a)]；
d33＝2n[Yn(kL2a)-kL2aY'n(kL2a)]；
Figure BDA0001835346050000074
Figure BDA0001835346050000075
Figure BDA0001835346050000076
Figure BDA0001835346050000077
d44＝2n[kT2bJ'n(kT2b)-Jn(kT2b)]；
d45＝2n[kT2bY'n(kT2b)-Yn(kT2b)]；
Figure BDA0001835346050000078
d52＝kL2bJ'n(kL2b)；
d53＝kL2bY'n(kL2b)；
d54＝nJn(kT2b)；
d55＝nYn(kT2b)；
d56＝-k3bJ'n(k3b)；
d62＝2n[Jn(kL2b)-kL2bJ'n(kL2b)]；
d63＝2n[Yn(kL2b)-kL2bY'n(kL2b)]；
Figure BDA0001835346050000079
Figure BDA0001835346050000081
且满足：
k1＝ω/c1；
k3＝ω/c3；
kL2＝ω/cL2；
kT2＝ω/cT2；
其中，a和b分别为所述中空圆柱壳体的外径和内径，ρ1为所述环境流体的密度，ρ2为所述中空圆柱壳体的密度，ρ3为所述负载流体的密度，Jn为该本征方程第n阶的贝塞尔函数，J'n为Jn对角频率ω的导数，
Figure BDA0001835346050000082
为该本征方程第n阶的诺依曼函数，
Figure BDA0001835346050000083
为
Figure BDA0001835346050000084
对角频率ω的导数，Yn为该本征方程第n阶的第一类汉克耳函数，Yn'为Yn对角频率ω的导数，c1为环境流体的声速度，cL2和cT2分别为所述中空圆柱壳体的纵波速和横波速，c3为负载流体的声速度，k1为环境流体的波数，kL2和kT2分别为所述中空圆柱壳体的纵波波数和横波波数，k3为负载流体的波数。上述参数除角频率ω之外均为已知参数，因此，可通过上述声学流体传感器的本征方程确定声学流体传感器的角频率ω。
在进一步的实施例中，Scholte-Stoneley圆周波在下述条件下满足相位匹配条件：
cp/c1＝Re(k1a)/n；
其中，cp为Scholte-Stoneley圆周波的相速度。
图2示出了本发明实施例提供的声学流体传感器的结构示意，为便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图2所示，声学流体传感器包括中空圆柱壳体，设置在中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管，实验容器。超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器以及超声波发射探头，超声波接收装置包括超声波接收探头和模数转换模块，计算处理装置为计算机装置。此外，所述声学流体传感器还包括设置在中空圆柱壳体底部，用于承载所述中空圆柱壳体的透声膜。
如图2所示，中空圆柱壳体的两端设置有硅胶管，且硅胶管与中空圆柱壳体形成贯通腔道。硅胶管远离中空圆柱壳体的两端分别和和用于注入负载流体(标准流体或待测流体的)的注射器相接，以及和用于回收负载流体的回收器相接。实验时，通过连接硅胶管的注射器向中空圆柱壳体中注入少量负载流体，并在实验结束时通过回收器回收负载流体。
实验容器为长方体型，装盛环境流体(例如水)。较优的一实施例中，实验时硅胶管连接注射器和回收器的两端露出环境流体。超声波发射探头和超声波接收探头分别装设于实验容器相对的两个侧壁上。中空圆柱壳体设置在超声波发生探头和超声波接收探头之间。
信号发生器产生脉冲信号，功率放大器对脉冲信号放大后激励超声波发射探头向所述环境流体中发射超声波，激励所述中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当所述Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在所述中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，超声波接收探头接收经过所述声学传感装置后的超声波，模数转换模块将经过所述声学传感装置后的超声波模拟量转换为电信号，计算机装置将电信号从时域转换至频域，计算出经过所述声学传感装置后的超声波的频谱数据。
所述计算处理装置根据第一透射谱数据和第二透射谱数据确定归一化后的透射谱数据，根据归一化后的透射谱数据确定所述声学流体传感器的品质因子；其中，所述第一透射谱数据是指在不包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据，所述第二透射谱数据为包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据。
图3示出了本发明实施例提供的Scholte–Stoneley圆周波的色散曲线示意，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
为了说明本发明提供的声学流体传感器，在中空圆柱壳体的内径与外径的比值越大，即壳体越薄，局域声场的场强会越强，局域声场与负载流体(标准流体或待测流体)的耦合程度越大，声学流体传感器的品质因子越高、灵敏度越佳，越适合微量流体的高灵敏传感的性质，本发明实施例以图3所示进行说明。
在本发明实施例中，选取环境流体和标准流体均为水，环境流体的密度和标准流体的密度均为：ρ1＝ρ3＝1000kg/m3，环境流体的声速度和标准流体的声速度均为：c1＝c3＝1490m/s，中空圆柱壳体的密度ρ2＝2200kg/m3，中空圆柱壳体的纵波速为cL2＝3454m/s，中空圆柱壳体的横波速为cT2＝5640m/s。
在其他参数保持不变的情况下，测定了图3所示的，中空圆柱壳体的内径与外径的比值在3:4、4:5以及9:10的三种情况下的声学流体传感器在中空圆柱壳体周围产生的Scholte–Stoneley圆周波的相速度色散曲线(对相速度除以水的声速进行归一化)。从图3可以得出，当中空圆柱壳体的内径与外径的比值越大，即壳体越薄，Scholte–Stoneley圆周波的相速度的值越小于外围流体的声速度的值。根据波动理论，更薄的圆柱壳体的共振声压场的能量分布更加局域在圆柱壳体的内外壁。一般而言，局域声场的场强与负载流体的耦合程度也就越大，声学流体传感器的品质因子就越高，灵敏度越佳，因而越薄的中空圆柱壳体，声学流体传感器的品质因子越高，灵敏度越佳，越适合微量流体的高灵敏传感。
根据波动理论，相速度小于环境流体(水)声速度的周向波都属于非泄漏波，它们的大部分能量都能够局域在中空圆柱壳体表面，且相速度越小于环境流体(水)的声速度，它们的能力越局域，越适合于流体传感。图4中的(a)-(e)分别为图3中在b:a为4:5时相速度色散曲线不同周向共振模态n＝2-6的共振声压场分布图。从图中我们可以看出：周向共振模态n越小，能量越局域，则越适合流体传感。本发明下述的模拟实验和实际实验都采用第3周向共振模式。
图5a为本发明实施例提供的中空圆柱壳体的三维立体示意图，图5b为本发明实施例提供的中空圆柱壳体的平面示意图。
在本发明实施例中，L为中空圆柱壳体的长，a和b分别为所述中空圆柱壳体的外径和内径。在较优的一实施例中，所述中空圆柱壳体的内径b和外径a分别为b＝0.12mm，a＝0.15mm，内径b和外径a的比值为0.8。
本发明实施例还提供一种声学传感装置的制作过程，为便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明实施例提供的声学传感装置的制作过程至少包括以下步骤：
步骤S1，将A胶和B胶以预设比例(例如10:1的比例)放入真空脱泡机中搅拌混合，形成胶状的PDMS(英文全称：polydimethylsiloxane，简称PDMS，中文全称：聚二甲基硅氧烷)。本领域技术人员可以理解的是，所述预设比例还可以是其他比例，例如可以是8:1或者12:1，本发明实施例对比不做特别的限制。
步骤S2，将胶状的PDMS涂抹在所述中空圆柱壳体的两端，并在中空圆柱壳体的两端套设上硅胶管，所述硅胶管与所述中空圆柱壳体形成贯通腔道。
步骤S3，将两端带有硅胶管的中空圆柱壳体放入预设温度(例如85℃)的恒温干燥箱中干燥预设时间间隔(约30分钟)。本领域技术人员可以理解的是，所述预设温度还可以是其他的温度值，例如80℃或者90℃等，所述设时间间隔还可以是其他的时间间隔，例如25分钟或者40分钟等。例如，将两端带有硅胶管的中空圆柱壳体放入80℃的恒温干燥箱中干燥约40分钟。或者将两端带有硅胶管的中空圆柱壳体放入90℃的恒温干燥箱中干燥约25分钟等。
经过上述步骤S1至S3，便形成一个两端带有硅胶管的中空圆柱壳体的传感系统。在本发明实施例中，所述中空圆柱壳体的厚度应足够薄，尺寸应足够小，换句话说，所述中空圆柱壳体的内径与外径的比值应该足够大，以使所述中空圆柱壳体周围产生的局域声场的强度足够强。
在确定所述声学流体传感器的品质因子时，主要包括以下几个步骤：
步骤1，在没有所述中空圆柱壳体以及硅胶管的情况下，开启超声波发射装置、超声波接收装置和计算处理装置。
步骤2，超声波发射装置中的信号发生器生成脉冲信号，功率放大器对脉冲信号放大后激励超声波发射探头产生超声波。
步骤3，超声波经过实验容器中的环境流体后，被超声波接收装置的超声波接收探头所接收，并由模数转换电路将超声波转换为电信号。
步骤4，利用5800采集卡进行电信号采集，计算处理装置对5800采集卡采集到的电信号从时域经过傅里叶变换转换到对应的频域，获取在不包含所述中空圆柱壳体及硅胶管时的第一透射谱数据。
利用5800采集卡进行电信号采集，计算处理装置利用MATLAB程序，对5800采集卡采集到的电信号从时域经过傅里叶变换转换到对应的频域，采集有效频率的信号，将采集的信号连接信号接收装置，信号接收装置优选计算机控制的脉冲发射接收器，数据处理优选计算机，获取在不包含所述中空圆柱壳体及硅胶管时的第一透射谱数据。通过实验测得，包含中空圆柱壳体结构的声学流体传感器在给定浓度下的共振频率为2.122MHz-2.252MHz。因此，设置5800采集卡的频率为高于0.1MHz，低于5MHz，即只允许高于0.1MHz，低于5MHz这段频率通过。从而使得超声波发射探头发射的信号和超声波接收探头接收的信号在这段频率范围内。
步骤5，将超声波发生探头、超声波接收探头和透声膜装在固定支架上，透声膜用于将所述中空圆柱壳体承载固定设置在所述超声波发射探头和所述超声波接收探头之间。并将通过步骤S1至S3制作的包含中空圆柱壳体及硅胶管的声学传感装置，设置于超声波发生探头和超声波接收探头正中间部分，这样可以保证超声波发生探头发出的超声波绝大部分能量能够经过所述中空圆柱壳体的传感系统，最后大部分超声波被超声波接收装置接收到。
步骤6，把组装好的超声波发生探头、中空圆柱壳体、超声波接收装置浸没于盛满环境流体的实验容器中，实验时将标准流体通过注射器经硅胶管注射到所述中空圆柱壳体中。
图6a-图6d为本发明实施例提供的样品1、样品2、样品3以及NaI溶液四种标准流体的溶液浓度、密度及声速度关系示意，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
在本发明实施例中，经实验发现(可参见图7以及图7对应实施例部分，下文详述)，该声学流体传感器系统对流体的密度变化最为敏感，故将环境流体确定为水，标准流体分别设定为样品1、样品2、样品3以及NaI溶液。
其中，图6a示出了样品1的流体密度、流体声速度随浓度(选取浓度为6％、30％、40％和45％浓度下的密度、声速度数据，并对密度、声速度数据进行拟合，得到溶液浓度、密度及声速度关系)的变化曲线图；图6b示出了样品2的流体密度、流体声速度随浓度(选取浓度为6％、30％、40％和45％浓度下的密度、声速度数据，并对密度、声速度数据进行拟合，得到溶液浓度、密度及声速度关系)的变化曲线图；图6c示出了样品3的流体密度、流体声速度随浓度(选取浓度为6％、30％、40％和45％浓度下的密度、声速度数据，并对密度、声速度数据进行拟合，得到溶液浓度、密度及声速度关系)的变化曲线图；图6d示出了NaI溶液的流体密度、流体声速度随浓度(选取浓度为6％、30％、40％和45％浓度下的密度、声速度数据，并对密度、声速度数据进行拟合，得到溶液浓度、密度及声速度关系)的变化曲线图。
步骤7，在包含所述中空圆柱壳体以及硅胶管的情况下，开启超声波发射装置、超声波接收装置和计算处理装置。
步骤8，超声波发射装置中的信号发生器生成脉冲信号，功率放大器对脉冲信号放大后激励超声波发射探头产生超声波。
步骤9，超声波经过所述中空圆柱壳体后，被超声波接收探头所接收，并由模数转换电路将超声波转换为电信号。
步骤10，利用5800采集卡进行电信号采集，计算机装置将5800采集卡采集到的电信号从时域经过傅里叶变换转换到对应的频域，获取在包含所述中空圆柱壳体及硅胶管时的第二透射谱数据。
步骤11，计算机装置对第一透射谱数据和第二透射谱数据进行归一化，获得归一化后的透射谱数据，并根据归一化后的透射谱数据确定所述声学流体传感器的品质因子。
在确定所述声学流体传感器的品质因子，可用公式表示为：Q＝f/F，ω＝2πf；其中，Q为声学流体传感器的品质因子，f为声学流体传感器的共振频率，F为声学流体传感器的带宽，ω为声学流体传感器的角频率。角频率ω可通过所述声学流体传感器的本征方程确定。
其中，在确定声学流体传感器的品质因子时，负载流体为参数已知的标准流体，标准流体用于确定共振频率与流体密度或者流体浓度的关系。在利用参数已知的标准流体确定共振频率与流体密度或者流体浓度的关系后，利用待测流体(其中待测流体的参数，例如流体密度和流体声速度未知)替换中空圆柱壳体中的标准流体，即实验时将待测流体从注射器中通过硅胶管注入中空圆柱壳体中，重复步骤5-步骤10，即可根据声学流体传感器的共振频率倒推出待测流体的参数(例如流体密度或流体声速度等)。
本发明经过模拟实验验证和实际实验验证，符合预期结果，证实可行。
图7为本发明实施例提供的四种不同标准流体的溶液浓度和共振频率的关系示意，为了便于说明，仅示出了本发明实施例相关的部分，详述如下：
在本发明实施例中，分别选取了样品1、样品2、样品3以及NaI溶液四种标准流体进行模拟实验验证。按照上述步骤5-步骤10分别确定了样品1、样品2、样品3以及NaI溶液在不同的溶液浓度(本发明实施例中分别选取6％、30％、40％和45％)下的模拟实验验证时的共振频率。
在本发明实施例中，模拟实验验证主要在COMSOL Multiphysics软件(COMSOLMultiphysics为多物理场仿真分析软件)上进行。在具体的模拟实验时，首先模拟不包含中空圆柱壳体及硅胶管的系统的局域场强，得到一组透射谱数据；再模拟包含中空圆柱壳体及硅胶管(即声学传感装置)的声学传感系统的局域场强，得到一组透射谱数据；然后将两组透射谱数据进行归一化，得到归一化后的透射谱数据，即归一化后的透射频谱图。采用上述方式，分别使用COMSOL Multiphysics模拟软件模拟了样品1、样品2、样品3以及NaI溶液在浓度分别为6％、30％、40％和45％时的共振频率的偏移曲线图，结果如图7所示。
其中，样品1是一假设流体，该假设流体的密度为1046.3kg/m3，且在模拟实验的过程中保持不变，图7示出了该假设流体的声速度从1483m/s变化为1494m/s、1509m/s以及1524m/s时声学流体传感器的共振频率偏移曲线图。样品2是一假设流体，该假设流体的声速度为1483m/s，且在模拟实验的过程中保持不变，图7示出了该假设流体的密度从1046.3kg/m3增大到1290.7kg/m3，1427.1kg/m3，1506.2kg/m3时声学流体传感器的共振频率偏移曲线。样品3是一假设流体，图7示出了该假设流体的密度从1046.3kg/m3增大到1290.7kg/m3，1427.1kg/m3，1506.2kg/m3，声速度从1524m/s变化为1494m/s、1486.5m/s以及1483m/s时声学流体传感器的共振频率偏移曲线。图7还示出了NaI溶液在浓度分别为6％、30％、40％和45％下的声学流体传感器的共振频率偏移曲线。
从图7所示的样品1的声学流体传感器的共振频率偏移曲线图可以得知，在流体密度保持不变，而声速度发生明显变化的情况下，声学流体传感器的共振频率基本保持不变；从图7所示的样品2以及样品3的声学流体传感器的共振频率偏移曲线图可以得知，不管流体的声速度是否发生明显变化，在流体的密度发生明显变化的情况下，声学流体传感器的共振频率发生了明显变化，说明该声学流体传感器对流体密度变化较为敏感。
图8为本发明实施例提供的NaI溶液在不同溶液浓度下模拟计算得到的共振频率及透射幅度的示意，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图8所示，分别为NaI溶液在浓度6％、30％、40％以及45％时的模拟计算得到的声学流体传感器的透射频谱图。从图中可以看出，模拟实验验证的声学流体传感器的共振频率在2.12MHz-2.25MHz之间。通过对图8所示的透射频谱图进行分析计算，可以得到模拟实验验证的该声学流体传感器的品质因子约为126；同时也可以通过图8所示的透射频谱图得到模拟实验验证的该声学流体传感器的共振频率最大偏移值(即灵敏度，为图8所示的最大共振频率与最小共振频率的差值)约为0.13MHz(即最大共振频率2.25MHz与最小共振频率2.12MHz的差值)。与传统的声学流体传感器相比，这种新型的包含中空圆柱壳体的声学流体传感器不仅具有较高的品质因子，还具有较高的灵敏度，由此验证了在理论模拟上的可行性。
图9是本发明实施例提供的NaI溶液在不同溶液浓度下实际实验得到的共振频率及透射幅度的示意，为了便于说明，仅示出了本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图9所示，分别为NaI溶液在浓度6％、30％、40％以及45％时的实际实验得到的声学流体传感器的透射频谱图。从图中可以看出，实际实验的声学流体传感器的共振频率在2.10MHz-2.24MHz之间，与模拟计算得到的声学流体传感器的共振频率2.12MHz-2.25MHz基本吻合。另外，实际实验得到的声学流体传感器的透射频谱的透射幅度，比模拟计算得到的声学流体传感器的透射频谱的透射幅度有所衰减，这是因为理论计算是基于理想环境，而实际实验存在声散射或者吸收等导致的幅度衰减，这也是符合常理的，由此验证了在实验的可行性。
本发明实施例提供的声学流体传感器具备以下优点：
(1)本发明提出的高灵敏度和高品质因子的声学流体传感器是一种具备中空圆柱壳体结构的新型的声学流体传感器。该声学流体传感器不仅具有微型尺寸，局域强场的优势；同时该中空圆柱壳体的尺寸大小可变，并且在系统尺寸变大或者变小时，系统的性质不会改变，仅工作频率会按比例偏移，以满足不同段共振频率。另外，中空圆柱壳体结构的尺寸设计是中空圆柱壳体周围圆周波产生共振的相位匹配的关键条件。
(2)本发明提出的一种具备中空圆柱壳体结构的新型结构的声学流体传感器不仅对密度变化显著的流体比较敏感，而且可检测密度与声速度变化趋势相同、或者变化趋势相反的流体，以及检测密度不变仅声速度变化的流体，或者检测声速度不变仅密度变化的流体等。
(3)本发明提出的高灵敏度和高品质因子的声学流体传感器，待测流体可以是微量，仅仅填充在中空圆柱壳体内，环境流体可以包括水等常见流体，也可以在圆柱壳内和周围环境均填充待测流体。
(4)本发明提出的高灵敏度和高品质因子的基于中空圆柱壳体结构的新型声学流体传感器，可以产生局域强场以增强声波与物质的相互作用，从而提高声学流体传感器的检测灵敏度和快速响应的能力。
(5)本发明提出的包含中空圆柱壳体结构的新型声学流体传感器不仅较高的共振频率偏移(即灵敏度)，而且具有高品质因子。
(6)本发明提出的具有高灵敏度和高品质因子的基于中空圆柱壳体结构的新型声学流体传感器未来可适用于生物医学工程上的诊断、生化检测、临床医学诊断、环境监测、食品安全监控以及工业方面的测量等。
(7)本发明提出的具备中空圆柱壳体结构的新型声学流体传感器，具有较高稳定度、结构紧凑、工艺简单、成本廉价、易于大规模产业化生产。此外，本发明可采用透明管道的石英玻璃作为中空圆柱壳体的材质，便于实时监测具有颜色变化的不同流体的化学反应，可以更为灵活地承载流体以适应不同的应用场合。
(8)本发明提出的具备中空圆柱壳体结构的声学流体传感器，不仅具有高灵敏度，即高频率偏移，而且具有高品质因子。具有高灵敏度和高品质因子的基于中空圆柱壳体结构的声学流体传感器是未来探究的一个重要方向。
(9)本发明提出的具备中空圆柱壳体结构的声学流体传感器是一种对密度变化显著的流体比较敏感的声学流体传感器。同时，该系统可检测流体的密度，弹性模量，声速度，粘性等其他性质，并通过这些参量进一步推测流体的成分、浓度等衍生性质。
综上所述，本发明实施例中的声学流体传感器包括声学传感装置、实验容器、超声波发射装置、超声波接收装置以及计算处理装置；声学传感装置包括用于装盛负载流体的中空圆柱壳体，及设置在中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管。本发明实施例中，利用超声波发射装置向环境流体中发射超声波，激励中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，此时产生的局域声场与负载流体具有较大的耦合程度，因此，可以提高声学流体传感器的品质因子和灵敏度，适合微量流体的高灵敏传感。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种声学流体传感器，其特征在于，包括：
声学传感装置、实验容器、超声波发射装置、超声波接收装置以及计算处理装置；
所述声学传感装置包括用于装盛负载流体的中空圆柱壳体，及设置在所述中空圆柱壳体两端、且与其形成贯通腔道的硅胶管；
所述实验容器用于装盛环境流体，所述中空圆柱壳体浸没于所述环境流体中，所述声学传感装置设置在所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间；
所述超声波发射装置向所述环境流体中发射超声波，激励所述中空圆柱壳体中的负载流体形成Scholte-Stoneley圆周波，当所述Scholte-Stoneley圆周波满足相位匹配条件时，在所述中空圆柱壳体周围形成驻波产生局域声场，所述超声波接收装置接收经过所述声学传感装置后的超声波；
所述计算处理装置根据第一透射谱数据和第二透射谱数据确定归一化后的透射谱数据，根据归一化后的透射谱数据确定所述声学流体传感器的品质因子；其中，所述第一透射谱数据是指在不包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据，所述第二透射谱数据为包含所述声学传感装置和负载流体时超声波接收装置接收到的超声波的透射谱数据；
其中，通过如下方式确定所述声学流体传感器的品质因子：
根据所述声学流体传感器的本征方程确定所述声学流体传感器的角频率；
根据所述角频率确定所述声学流体传感器的共振频率；
根据所述共振频率和声学流体传感器的带宽确定所述声学流体传感器的品质因子；
其中，声学流体传感器的本征方程为：
Det(Dn)＝D(n，ω)＝0；
n为共振模态数目，ω为该本征方程最低阶的解，Dn为六行六列、且具有如下28个非零元素的矩阵：
Figure FDA0002755567430000021
Figure FDA0002755567430000022
Figure FDA0002755567430000023
d14＝2n[kT2aJ’n(kT2a)-Jn(kT2a)；
d15＝2n[kT2aY′n(kT2a)-Yn(kT2a)；
Figure FDA0002755567430000024
d22＝kL2aJ’n(kL2a)；
d23＝kL2aY′n(kL2a)；
d24＝nJn(kT2a)；
d25＝nYn(kT2a)；
d32＝2n[Jn(kL2a)-kL2aJ’n(kL2a)]；
d33＝2n[Yn(kL2a)-kL2aY′n(kL2a)]；
Figure FDA0002755567430000025
Figure FDA0002755567430000026
Figure FDA0002755567430000027
Figure FDA0002755567430000028
d44＝2n[kT2bJ’n(kT2b)-Jn(kT2b)]；
d45＝2n[kT2bY′n(kT2b)-Yn(kT2b)]；
Figure FDA0002755567430000031
d52＝kL2bJ’n(kL2b)；
d53＝kL2bY′n(kL2b)；
d54＝nJn(kT2b)；
d55＝nYn(kT2b)；
d56＝-k3bJ’n(k3b)；
d62＝2n[Jn(kL2b)-kL2bJ’n(kL2b)]；
d63＝2n[Yn(kL2b)-kL2bY′n(kL2b)]；
Figure FDA0002755567430000032
Figure FDA0002755567430000033
且满足：
k1＝ωc1；
k3＝ω/c3；
kL2＝ω/cL2；
kT2＝ω/cT2；
其中，a和b分别为所述中空圆柱壳体的外径和内径，ρ1为所述环境流体的密度，ρ2为所述中空圆柱壳体的密度，ρ3为所述负载流体的密度，Jn为该本征方程第n阶的贝塞尔函数，J’n为Jn对角频率ω的导数，
Figure FDA0002755567430000034
为该本征方程第n阶的诺依曼函数，
Figure FDA0002755567430000035
为
Figure FDA0002755567430000036
对角频率ω的导数，Yn为该本征方程第n阶的第一类汉克耳函数，Y′n为Yn对角频率ω的导数，c1为环境流体的声速度，cL2和cT2分别为所述中空圆柱壳体的纵波速和横波速，c3为负载流体的声速度，k1为环境流体的波数，kL2和kT2分别为所述中空圆柱壳体的纵波波数和横波波数，k3为负载流体的波数。
2.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述中空圆柱壳体的材质为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、铜、铝以及钢。
3.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述中空圆柱壳体内径与外径的比值介于0.5-1之间。
4.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述超声波发射装置包括：
信号发生器、功率放大器以及超声波发射探头；
所述信号发生器用于产生脉冲信号，所述功率放大器用于对所述脉冲信号放大后激励所述超声波发射探头产生超声波。
5.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述超声波接收装置包括：
超声波接收探头和模数转换模块；
所述超声波接收探头用于接收经过所述声学传感装置后的超声波；
所述模数转换模块用于将经过所述声学传感装置后的超声波模拟量转换为电信号。
6.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，还包括：
承载固定装置，所述承载固定装置用于将所述声学传感装置承载固定设置在所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间。
7.如权利要求6所述的声学流体传感器，其特征在于，所述承载固定装置为透声膜。
8.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述环境流体和所述负载流体为相同的流体或者不同的流体。
9.如权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，Scholte-Stoneley圆周波在下述条件下满足相位匹配条件：
cp/c1＝Re(k1a)/n；
其中，Cp为Scholte-Stoneley圆周波的相速度。
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