CN112533708B - 用于材料检测的一维超声换能器单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于材料监测的一维超声换能器单元(10)包括具有用于固定在表面处的固定器件的壳体(14)以及设计用于将具有在20kHz与400kHz之间的一致工作频率的声波耦合输出至气态介质中的至少三个分立的超声换能器(12)和设计用于单独控制每个超声换能器(12)的控制单元，其中，每两个彼此直接相邻的超声换能器(12)具有间距(A1)，一维超声换能器单元(10)在每个超声换能器(12)上具有声通道(22)，声通道分别具有恰好一个分配给超声换能器的输入开口(24)和输出开口(26)，输出开口(26)沿直线布置，直接相邻的输出开口(26)的间距(A2)最高对应于气体介质中的全或半波长并且小于相应的间距(A1)，输出开口(26)的面积与输入开口(24)的面积之商位于0.30与1.2之间，并且每个声通道(22)都具有至少对应于输入开口(24)的直径的长度。

Description

用于材料检测的一维超声换能器单元
技术领域
本发明涉及一种用于材料检测的一维超声换能器单元，该一维超声换能器单元具有至少三个分立的且可单独操控的超声换能器，以用于检测对象、轮廓或间距。
背景技术
超声或超声换能器用于各种各样的测量布置中。根据应用，超声耦合输出至液态介质或气态介质中。
从WO 2008/135 004 A1中已知一种用于气态介质中的应用的超声换能器阵列。该阵列具有由两个电极结构之间的驻极体的层组成的层结构，其中，该一个电极结构包括多个可独立寻址的电极元件，由此产生驻极体层的局部厚度振动。
从US 2013/0283918 A1中已知一种具有经改善的近场分辨率的超声换能器的1.5D阵列。在US 2014/0283611 A1和US 6,310,831 B1中描述相控(phasengesteuert)超声换能器阵列和自适应或补偿控制方法。
从以下文献中已知其他超声换能器：EP 0 940 801 A2，以及“Phased arraytransducer for emitting 40kHz air-coupled ultrasound without grating lobes”，Eric Konetzke等，IEEE国际超声研讨会，2015年，第1至4页，和“Air-coupled 40-kHzultrasonic 2D-phased array based on a 3D-printed waveguide structure”，Jager等，IEEE国际超声研讨会，2017年，第1至4页，和“Takahashi等，Ultrasonic phased arraysensor for electrical travel aids for visually impaired people，SPIE论文集-国际光学工程协会SPIE-垂直腔表面发射激光器XIII，第6794卷，2007年12月3日，第67943V页，ISSN：0277-786X”和“村田制作所：Ultrasonic Sensor Application Manual，目录号S15E-5，2009年1月1日，URL：https://cdn-reichelt.de/documents/datenblat±/8400/ultraschall％20sensor.pdf，第3页”。
为了在工业环境中使用，所使用的超声换能器必须能够保证从-40℃到部分地超过+100℃的测量温度稳定性以及与其他技术设备的电磁兼容性。此外，超声换能器相对于恶劣的环境影响(例如灰尘、湿气、腐蚀性化学物质)以及相对于机械冲击或都需要机械刮擦必须是稳健的。
为了实现高的探测作用间距，使用诸如锆钛酸铅(PZT)之类的压电陶瓷，该压电陶瓷与其他压电材料(例如石英、驻极体或PVFD)相比具有高耦合系数。在此，耦合系数表示机械存储的能量与电存储的能量之间的转换效率的度量。对于PZT，根据激励方向，这些耦合系数例如位于0.3至0.75的范围中。
根据压电材料的极化方向，可以借助交流电压在压电体中产生共振机械振动，根据几何传播，该振动称为平面振动、厚度振动或剪切振动。对于这些振动，可以从材料特定的频率常数中估计出压电体的典型尺寸，该尺寸对于预给定频率下的共振振动是必需的。对于PZT，根据振动类型，这些频率常数通常位于1300kHz*mm与2600kHz*mm之间。
因此，由适用于传感装置的PZT组成的薄盘在平面模式下针对20kHz至500kHz的激励频率具有约4mm至100mm的直径。由于这种薄板的电容特性，在相应的极化下可以良好地实现低激励电压。
压电盘的更大厚度是不值得追求的。一方面，随着压电材料厚度的增加，针对相同的频率范围必须施加更高的电压(甚至快速地在kV范围内)，这意味着更高的安全开销。另一方面，压电体的刚性也随着压电体的厚度发生改变，这对声波的接收情况有直接影响。
在将多个超声换能器应用于相控的至少一维的阵列(相控阵列)中时，还应注意，相邻超声换能器之间的间距不应大于超声波的波长或优选地不应大于波长的一半。
通过这种间距条件相应地限制单个换能器的结构尺寸或借助超声换能器的确定结构形式/尺寸而能够实现的频率范围。
例如，对于20kHz与500kHz之间的频率范围以及耦合输出至空气中，得出相邻换能器之间的最大间距在约8.5mm至0.3mm的数量级中。
然而，由于压电盘直径，先前所描述的、具有由适用于传感装置的PZT组成的薄盘的换能器具有平均大十倍以上的直径。
发明内容
在此背景下，本发明的任务在于，说明一种扩展现有技术的设备。
该任务通过具有权利要求1的特征的、用于材料检测的危险识别的一维超声换能器单元来解决。本发明的有利构型是从属权利要求的主题。
根据本发明的主题，提供一种用于材料检测的一维超声换能器单元，该一维超声换能器单元包括壳体、至少三个超声换能器和控制单元，其中，该控制单元设计为用于单独地操控每个超声换能器，该壳体具有用于固定在表面上的固定器件，该控制单元至少部分地布置在该壳体中，该壳体具有通信接口，每个超声换能器分别具有换能器壳体、布置在换能器壳体中的压电体和布置在换能器壳体的开端处的用于耦合输出到气态介质中的声耦出层，并且所述超声换能器布置在壳体中的固定位置处，每个超声换能器设计为用于发射和/或接收具有一致工作频率的声波，并且声波的工作频率处于20kHz到400kHz的范围中。
每两个彼此直接相邻的超声换能器在壳体中从声耦出层的中心到声耦出层的中心具有最高10cm或最高5cm或最高2cm的间距。该一维超声换能器单元在每个超声换能器上具有声通道，其中，每个声通道具有输入开口和输出开口，每个声耦出层配属有输入开口中的恰好一个，输出开口沿着直线布置，输出开口分别布置在壳体的壁中或者声通道穿过壳体的壁。从输出开口之一的中心到直接相邻的输出开口的中心的间距最高相当于气态介质中的波长或最高相当于气态介质中的波长的一半，其中，两个直接相邻的输出开口之间的间距分别小于配属于相应输入开口的超声换能器的间距，输出开口的面积与输入开口的面积之商具有在0.30与1.2之间的值，并且每个声通道具有至少相当于输入开口的直径的长度。
应当理解，这些一维超声换能器单元的超声换能器涉及单个的离散构件，其中，每个超声换能器布置在壳体中并且与壳体连接并且因此与所有其他超声换能器具有固定的间距。在此，两个并排布置的、在它们之间未布置有其他超声换能器的超声换能器是彼此直接相邻的超声换能器。
也应当理解，各个声通道构造为管状或棒状，其中，例如管直径减小和/或横截面的形状发生改变和/或通道的走向拱状地构造。有利地，声通道在其从声耦出层到其输出开口的整个长度上不具有棱边。
声通道将由各个超声换能器产生的声波从壳体中引导出来，或者将反射声波引导返回至超声换能器。因此，由于叠加而在壳体壁上的输出开口处或在壳体外部产生波前。
借助多个可单独操控的超声换能器可以通过时间上错开的或相位错开的操控来产生具有可调节的主传播方向的波前。由此可以借助仅一个一维超声换能器单元至少在一个维度上扫描较大的测量区域。此外，可以检测对象的表面结构和/或对象的形状。因此，例如可以确定材料类型和/或对象类型。
通过将声通道布置在各个超声换能器前面，在叠加至共同波前时或者说为了叠加至共同波前，将各个声源布置到声通道的相应末端或者说输出开口处。这使得能够独立于各个超声换能器的尺寸(例如直径)或者独立于各个超声换能器之间的间距来调节各个声源之间的间距。与各个换能器之间的间距相比，尤其可以减小声源之间的间距。
在各个超声换能器的壳体直径为例如7mm的情况下，两个换能器之间的间距为至少14mm。相应地，在没有声通道的情况下，仅能够实现频率最高为22kHz(λ≥14mm)或最高为11kHz(λ/2≥14mm)的波前。借助根据本发明的声通道才能以相同的超声换能器产生具有更高频率(即更短波长)的波前，因为叠加时各个“声源”之间的间距不由换能器壳体的尺寸确定，而是仅由声通道输出开口的尺寸和间距确定。
通过声通道还确保精准、定向的探测。
借助声通道如此改变压电换能器的发射孔径(例如具有由压电体预给定的直径的圆形孔径)，使得该孔径在至少一个维度上满足所期望的阵列布置的条件。这使得能够在相控阵列布置中使用稳健、可靠和/或成本有利的分立超声换能器。相控阵列布置使得借助仅唯一的一维超声换能器单元就能够实现大的视角，并且因此能够实现例如填充高度的可靠监测。也能够识别表面结构和/或对象或者说对象形状。
不必使用特别小的、例如集成的超声换能器，例如MEMS。也不太必需安装、读出并在必要时彼此协调多个转换器单元。
根据一种扩展方案，壳体具有可运动的盖设备，其中，该盖设备设计为用于关闭所有声通道的输出开口。只要不使用一维超声换能器单元，就可以借助盖设备关闭声通道，由此可以防止异物/污染物的进入。为了打开和闭合声通道或者说为了移动盖设备，一维超声换能器单元包括例如执行器件。
根据一种扩展方案，第二横截面的面积与第一横截面的面积之间的商具有0.5与1.5之间或0.9与1.1之间的值。根据本发明，输入区域的面积可以增大、减小或保持不变，同时，至少输出开口的宽度与输入开口相比减小。
根据另一实施方式，每个声通道具有从每个超声换能器的声耦出层到所配属的声通道的输出开口的长度，其中，该长度是声音频率的波长的八分之一的整数倍或声音频率的一半波长的整数倍。
根据另一实施方式，所有声通道的输出开口位于共同的平坦平面中或者位于曲面中。通过布置在曲面(例如凹面)中，例如可以产生经聚焦的波前。
在另一实施方式中，每个声通道由金属或塑料组成。替代地，每个声通道包括金属或塑料。
根据另一实施方式，每个超声换能器在声耦出层与换能器壳体之间具有声解耦层。
在另一实施方式中，控制单元完全地或部分地布置在壳体中。
根据另一实施方式，一维超声换能器单元的壳体至少相应于IP 40防护等级地构造。
在另一扩展方案中，通信接口构造为用于无线数据传递，例如作为蓝牙接口。因此，例如可以在一维超声换能器单元与例如外部控制单元或分析处理单元之间无线地交换控制和/或测量信号。替代地，一维超声换能器单元借助通信接口通过线缆进行通信，例如借助总线系统或协议。
根据另一实施方式，每个超声换能器以声耦出层向前伸入到所配属的输入开口中，其中，在一种扩展方案中，每个声通道精确匹配地接收所配属的超声换能器的至少一部分。换句话说，根据该实施方式，声通道的内部形状在输入开口的区域中尽可能准确地相应于相应超声换能器的外部形状。
在另一实施方式中，每个超声换能器的壳体具有至少7mm的直径。每个超声换能器的壳体例如构造为圆柱状金属杯。根据该实施方式的一种扩展方案，声耦出层的表面、金属杯的边缘以及布置在它们之间的、例如每个单个超声换能器的声解耦层分别展开一平坦平面。
在另一实施方式中，每个超声换能器具有处于参考电势的电磁屏蔽。应当理解，电磁屏蔽也可以完全地或至少部分地由壳体、尤其用作壳体的金属杯构造。替代地，一维超声换能器单元也可以具有用于所有超声换能器的共同屏蔽，例如共同壳体。
在另一实施方式中，每个声通道具有最少0.5mm或最少1mm的壁厚。根据另一扩展方案，每两个声通道在这两个声通道的整个长度上彼此间具有最少0.5mm或最少1mm的间距。
根据另一实施方式，壳体包括平坦的后壁和平行于后壁延伸的前壁。由此能够特别简单且可靠地实现一维超声换能器单元在表面上的安装和定向。超声换能器优选地安装在后壁上，而声通道优选地在前壁处或在前壁中结束。特别优选地，不仅声通道的输出开口而且超声换能器以及声通道的输入开口沿直线布置。通过声通道的输入所展开的直线例如明显长于通过输出开口所展开的直线。
附图说明
接下来参照附图进一步阐述本发明。在此，相同类型的部分以相同的附图标记进行标记。示出的实施方式是高度示意性的，即间距以及横向和竖直延伸不是成比例的，并且除非另有说明，否则也不具有任何可相互推导的几何关系。在此示出：
图1A示出用于填充高度检测的一维超声换能器单元的根据本发明的第一实施方式的视图，
图1B示出用于对象检测的一维超声换能器单元的根据本发明的第二实施方式的视图，
图2示出一维超声换能器单元的壳体的根据本发明的一种实施方式的截面图，
图3示出声通道的根据本发明的另一实施方式的视图，
图4示出声通道的根据本发明的另一实施方式的视图，
图5示出单个声通道的另一实施方式的视图，
图6示出声通道的输出面的不同实施方式的示意图。
具体实施方式
图1A的图像示出用于填充高度检测的根据本发明的一维超声换能器单元10的第一实施方式的视图。一维超声换能器单元具有壳体14，该壳体借助固定器件11安装在用于松散物料104的容器102的顶板102上。通过一维超声换能器单元10产生声波11。声波11具有主传播方向，其中，该主传播方向在图像平面中是可摆动的(短划线、点状线或点划线)，由此可以可靠地扫描整个容器102。松散物料104和/或容器102的底部和/或容器102的侧壁反射声波11。借助一维超声换能器单元，不仅可以检测松散物料104的高度或者说量，而且可以检测松散物料104的表面结构，由此能够推断出松散物料104的类型。
在图1B的图像中示出一维超声换能器单元10的根据本发明的第二实施方式。一维超声换能器单元10借助固定器件11安装在传送带108上方的建筑物顶106上，从而可以借助超声波来检测传送带上的对象110。通过所发射的超声波的摆动，可以监测传送带108的较大区域并识别处于传送带108上的对象110的形状或表面结构。
在图2的图像中示出超声换能器单元10的壳体14的截面图。在壳体14中，沿着壳体14的平坦的后壁16布置有五个离散的超声换能器12。每个超声换能器12具有自己的换能器壳体18和声耦出层20。每个超声换能器12相对于直接相邻的一个或多个超声换能器12具有从声耦出层20的中心到声耦出层20的中心的间距A1。
每个超声换能器12配属有声通道22，其中，每个声通道22具有输入开口24和输出开口26。输入开口24分别如此布置在超声换能器12之一的前面或周围，使得每个超声换能器12向对应的声通道22中发射。声通道22的输出开口26沿着壳体14的与后壁相对置的平坦的前壁30布置或者穿过前壁30。
每两个相邻的输出开口26从输出开口26的中心到输出开口26的中心具有间距A2。根据本发明，输出开口26的间距A2分别小于或等于配属的或所属的超声换能器12的间距A1。
从每个声耦出层20直至所属的声通道22的输出开口26的长度L1为声频率的波长的八分之一的整数倍。
壳体14还包括可运动的盖设备32。在所示出的实施例中，盖设备32处于闭合状态。为此，盖设备布置在壳体14的具有输出开口26的前壁30的前面，从而关闭声通道22。在打开状态下，例如通过翻转或移动，盖设备32不再处于前壳体壁30和输出开口26的前面，并且输出开口26暴露。
在图3所示的实施例中，声通道22如此延伸，使得所有声通道22的输出开口26位于共同的平坦平面E1中。在所示的实施例中，一维超声换能器单元10的壳体14的前壁30在平面E1内延伸。每个声通道22的仍然处于对应的声通道22的输入开口24前面的区域34如此构造，使得分别配属的超声换能器12精确匹配地配合到声通道22中。为此，每个声通道22在该区域中具有相应于外径D1的内径和用作止挡部的棱边36。
未示出的控制单元设计为用于单独地操控每个超声换能器12。通过在时间上错开地或者说相位错开地操控各个超声换能器12，一维超声换能器单元10产生具有主传播方向(箭头)的平面超声波，其中，主传播方向或主传播方向与第一平面E1之间的角度能够借助从各个声通道的输出开口26中射出的声波之间的相位偏移来进行调节。
在图4所示的实施例中，所有声通道36的输出开口40位于凹曲面F1中。
在图5的图像中示意性地示出单个声通道22，其中，接下来阐述相对于图1至4的不同之处。
输入开口24具有带有宽度x1和高度y1的横截面，输出开口26具有带有宽度x2和高度y2的横截面。
输入开口24构造为圆形，即横截面的宽度x1和高度y1具有相同的值。相反地，输出开口26具有椭圆形状，因此横截面的宽度x2小于宽度y2。
输出开口26的宽度x2优选地小于输入开口26的宽度x1。相反地，输出开口26的高度y2优选地大于输入开口24的高度y1。特别优选地，声通道22的高度增加如此补偿声通道22的宽度的减少，使得输入开口24的横截面的面积相当于输出开口26的横截面的面积。
应当理解，每个输出开口26的宽度x2必须小于声音频率的波长，以便能够实现从输出开口26的中心到直接相邻的输出开口26的中心的、最高为声音频率的波长的间距。
在图6的图像中示意性地示出输出开口26的横截面的根据本发明的多个实施例。为了使输出开口26的横截面的面积相当于输入开口24的横截面的面积，尤其以下形状合适：该形状具有宽度x2与高度y2的约为1.5的比例。

Claims (8)

1.一种用于材料检测的一维超声换能器单元(10)，所述一维超声换能器单元包括壳体(14)、至少三个超声换能器(12)和控制单元，其中，
-所述控制单元设计为用于单独操控每个超声换能器(12)，
-所述壳体具有通信接口，
-每个超声换能器(12)分别具有换能器壳体(18)、布置在所述换能器壳体(18)中的压电体和布置在所述换能器壳体(18)的敞开端部处的用于耦合输出至气态介质中的声耦出层(20)，并且每个超声换能器布置在所述壳体(14)中的一个固定位置处，
-每个超声换能器(12)设计为用于发射和/或接收具有一致工作频率的声波，
-所述声波的所述工作频率处于20kHz至400kHz的范围中，
-每两个彼此直接相邻的超声换能器(12)在所述壳体(14)中从所述声耦出层(20)的中心到所述声耦出层(20)的中心具有最高10cm或最高5cm或最高2cm的间距(A1)，
-所述一维超声换能器单元(10)在每个超声换能器(12)上具有声通道(22)，
-每个声通道(22)具有输入开口(24)和输出开口(26)，
-每个声耦出层(20)配属有所述输入开口(24)中的恰好一个，
-所述输出开口沿着直线布置，
-所述输出开口分别布置在所述壳体的壁中，或者所述声通道穿过所述壳体的所述壁，
-从所述输出开口(26)之一的中心到直接相邻的输出开口(26)的中心的间距(A2)最高相当于气态介质中的波长或最高相当于气态介质中的波长的一半，
-其中，两个直接相邻的输出开口(26)之间的间距(A2)分别小于配属于相应输入开口(24)的超声换能器(12)之间的间距(A1)，
-所述输出开口(26)的面积与所述输入开口(24)的面积之商具有0.30与1.2之间的值，并且
-每个声通道(22)具有至少相当于所述输入开口(24)的直径的长度，
其特征在于，
-所述壳体(14)具有用于固定在表面上的固定器件(11)，
-所述控制单元至少部分地布置在所述壳体(14)中，
-所述壳体具有可运动的盖设备(32)，其中，所述盖设备(32)设计为用于关闭所有声通道(22)的输出开口(26)，
-所有声通道(22)的输出开口(26)都位于一曲面(F1)中。
2.根据权利要求1所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，所述输出开口(26)的面积与所述输入开口(24)的面积之商具有0.5与1.5之间或0.9与1.1之间的值。
3.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，每个声通道(22)具有从每个超声换能器(12)的声耦出层(20)到所配属的声通道(22)的输出开口(26)的长度(L1)，并且所述长度(L1)为声音频率的波长的八分之一的整数倍或声音频率的一半波长的整数倍。
4.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，每个声通道(22)由金属或塑料组成或者包括金属或塑料。
5.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，每个超声换能器(12)在所述声耦出层(20)与所述换能器壳体(18)之间具有声解耦层。
6.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，所述控制单元完全地或部分地布置在所述壳体(14)中。
7.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，所述一维超声换能器单元(10)的所述壳体(14)至少相应于IP 40防护等级地构造。
8.根据权利要求1或2所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，所述通信接口构造为用于无线数据传递。
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