CN112566731A - 用于区域监测的一维超声换能器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于区域监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)，所述壳体具有用于紧固在表面上的紧固器件；至少三个分立的超声换能器(12)，设计为用于将具有一致的、20千赫至400千赫之间的工作频率的声波耦出到气态介质中；和用于单独地操控每个超声换能器(12)的控制单元，其中，每两个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)的每个超声换能器(12)具有声通道(22)，所述声通道具有分别恰好配属于一个超声换能器的输入开口(24)和输出开口(26)，所述输出开口(26)沿直线布置，直接相邻的输出开口(26)之间的间距(A2)最高相当于气态介质中的整个波长或半波长并且小于相应的间距(A1)，所述输出开口(26)的面积与所述输入开口(24)的面积的商具有0.30至1.2之间的值，并且每个声通道(22)具有至少一个与所述输入开口(24)的直径相应的长度。

Description

用于区域监测的一维超声换能器单元
技术领域
本发明涉及一种用于区域监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，用于感测对象、轮廓或间距。
背景技术
超声或超声换能器广泛使用在各种测量组件中。视应用方式而定，将超声耦出到液态介质或气态介质中。
由WO 2008/135 004 A1已知一种用于气态介质中的超声换能器阵列。所述阵列具有分层结构，该分层结构由两个电极结构之间的驻极体层组成，其中，每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。
由US 2013/0283918 A1已知一种具有改进的近场分辨率的1.5维超声换能器阵列。在US 2014/0283611 A1和US 6,310,831 B1中说明了相控的超声换能器阵列和自适应或补偿控制方法。
对于在工业环境中的使用，所使用的超声换能器必须能够确保从-40℃到部分超过+100℃的测量的温度稳定性，和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、腐蚀性化学品，以及相对于机械冲击或相对于机械划伤必须是稳健的。
为了实现高探测范围，使用压电陶瓷、如锆钛酸铅(PZT)，所述压电陶瓷与其他压电材料例如石英、驻极体或PVFD相比具有较高的耦合系数。在此，耦合系数是对机械存储能量和电存储能量之间的转换效率的量度。对于PZT来说，视激发方向而定，这些耦合系数例如位于0.3到约0.75的范围内。
视压电材料的极化方向而定，可以借助交变电压在压电体中产生共振的机械振动，这些共振的机械振动根据几何传播方式被称为平面振动、厚度振动或剪切振动。对于这些振动形式，可以由针对材料特定的频率常数来估计压电体的典型尺寸，这些典型尺寸对于预给定频率下的共振振动来说是必需的。对于PZT，视振动类型而定，这些频率常数通常在1300千赫*毫米和2600千赫*毫米之间。
因此，由适用于传感器装置的PZT组成的薄盘针对在平面模式下从20千赫至500千赫的激发频率具有约为4毫米至100毫米的直径。由于这种薄盘的电容特性，在相应地极化时能良好地实现低激发电压。
不值得追求压电盘的更大厚度。一方面，随着压电材料的厚度增加，针对相同的频率范围必须施加更高的电压，很快也处于千伏的范围内，这意味着更高的安全性耗费。另一方面，压电体的刚度也随其厚度改变，这对声波的接收情况具有直接影响。
在将多个超声换能器应用在相控的至少一维的阵列(phased array)中时，还应注意，相邻的超声换能器之间的间距不应大于超声的波长，或者优选不大于波长的一半。
通过这种间距条件相应地限制了单个换能器的结构大小或借助超声换能器的特定结构形式/大小可能实现的频率范围。
对于20千赫和500千赫之间的频率范围和到空气中的耦出而言例如得出，相邻换能器之间的最大间距例如在约8.5毫米至约0.3毫米的数量级中。
然而，具有由适用于传感器装置的PZT组成的薄盘的前述换能器由于压电盘直径的原因具有平均大了10倍以上的直径。
发明内容
在该背景下，本发明的任务在于，提出一种对现有技术进行了扩展的设备。
该任务由一种具有权利要求1的特征的用于材料感测的危险识别的一维超声换能器单元解决。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，提供一种用于区域监测的一维超声换能器单元，所述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，控制单元设计为用于，单独地操控每个超声换能器，壳体具有用于紧固在表面上的紧固器件，控制单元至少部分地布置在壳体中，壳体具有通信接口，每个超声换能器分别具有换能器壳体、布置在该换能器壳体中的压电体和布置在换能器壳体的敞开端部上的、用于向气态介质耦出的声耦出层并且每个超声换能器布置在壳体中的固定位置上，每个超声换能器设计为用于辐射和/或接收具有一致的工作频率的声波并且声波的工作频率位于20千赫至400千赫的范围内。
在壳体中，每两个相互直接相邻的超声换能器具有从声耦出层的中心到声耦出层的中心的最多10厘米或最多5厘米或最多2厘米的间距。一维超声换能器单元的每个超声换能器具有声通道，其中，每个声通道具有输入开口和输出开口，每个声耦出层恰好配属有一个输入开口，输出开口沿着直线布置，输出开口分别布置在壳体的一个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，或者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的商具有0.30至1.2之间的值并且每个声通道具有至少一个与输入开口的直径相当的直径。
显然，一维超声换能器单元的超声换能器是单个分立的构件，其中，每个超声换能器布置在壳体中并且与壳体连接并因此关于所有其他超声换能器具有固定的间距。在此，两个并列布置的超声换能器相互直接相邻，这两个并列布置的超声换能器之间没有布置另外的超声换能器。
显然，各个声通道构造为管状或杆状，其中，例如，管直径减小和/或横截面的形状改变和/或通道的走向构造为弧形。有利地，声通道在它的从声耦出层直至它的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引导出，或将反射的声波引导回超声换能器。因此，在壳体壁上的输出开口处或在壳体外部通过叠加而产生波前(Wellenfront)。
通过多个可单独操控的超声换能器，能够通过时移操控方式或相移操控方式产生具有可调整的主传播方向的波前。由此，能利用仅一个一维超声换能器单元至少在一个维度上感测更大的测量区域。此外，可以附加地感测对象的表面结构和/或对象的形状。因此，例如可以确定对象的类型。
通过将声通道布置在各个超声换能器前面，在叠加成共同的波前时或为了叠加成共同的波前，将各个声源移位到声通道的对应端部或输出开口处。这能够实现，与各个超声换能器的大小、例如直径无关地或与各个超声换能器之间的间距无关地调整各个声源之间的间距。尤其地，相较于各个换能器之间的间距能够减小声源之间的间距。
在单个超声换能器的壳体直径例如为7毫米的情况下，两个换能器的间距至少为14毫米。相应地，在没有声通道的情况下，仅能实现具有频率最高为22千赫(λ≥14毫米)或最高11千赫(λ/2≥14毫米)的波前。利用相同的超声换能器仅在借助根据本发明的声通道的情况下才能产生具有较高频率、即较小波长的波前，因为在叠加时，各个“声源”的间距不由换能器壳体的大小确定，而仅由声通道输出开口的大小和间距来确定。
此外，通过这种声通道确保了精确、定向的探测。
借助声通道这样改变压电换能器的辐射孔径，例如具有由压电体预给定的直径的圆形孔径，使得这些声通道在至少一个维度上满足所希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/或低成本的分立的超声换能器。相控阵列布置使得仅利用唯一的一维超声换能器单元就能够实现大注视角度并因此可靠地监测例如填充水平。也可以识别表面结构和/或对象或对象形状。
不需要使用特别小的、例如集成的超声换能器，例如MEMS。也不需要安置、读取和在必要时相互协调多个换能器单元。
根据一个扩展方案，该壳体具有可运动的遮盖设备，其中，该遮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，就可以借助遮盖设备来关闭这些声通道，由此，可以防止异物/杂质进入。为了打开和闭合声通道或为了使遮盖设备运动，一维超声换能器单元例如包括调节器件。
根据一个扩展方案，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至1.5之间或0.9至1.1之间的值。根据本发明，输入面的面积可以增大、减小或保持不变，其中，相比较于输入开口，同时至少减小输出开口的宽度。
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至所对应的声通道的输出开口的长度，其中，该长度是声频率的波长的八分之一的整数倍或是声频率的半波长的整数倍。
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的平面中或弯曲的面中。通过布置在弯曲的面、例如凹面中，例如能产生聚焦的波前。
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和换能器壳体之间具有声解耦层。
在另一实施方式中，控制单元全部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，壳体具有至少一个信号接口，用于传送测量信号和/或控制信号。例如，信号输出部构造为通信接口，以便借助总线系统或协议与外部控制单元进行通信。所述信号接口也可以例如借助蓝牙来提供无线的数据传输。
根据另一实施方式，每个超声换能器通过前面的声耦出层伸入到配属的输入开口中，其中，在一个扩展方案中，每个声通道配合精确地接收相对应的超声换能器的至少一部分。换句话说，根据本实施方式，声通道在输入开口区域中的内部形状尽可能精确地相应于对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7毫米的直径。每个超声换能器的壳体例如构造为柱形的金属杯。根据本实施方式的一个扩展方案，声耦出层的表面、金属杯的边缘和每个单独的超声换能器的例如布置在它们之间的声解耦层分别撑开一个平坦的平面。
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部。显然，电磁屏蔽部也可能完全或至少部分地由壳体构成，尤其是由用作为壳体的金属杯构成。替代地，一维超声换能器单元也可以具有针对所有超声换能器的共同的屏蔽部，例如共同的壳体。
在另一实施方式中，每个声通道具有至少0.5毫米或至少1毫米的壁厚。根据另一扩展方案，每两个声通道在这两个声通道的共同长度上相对彼此具有至少0.5毫米或至少1毫米的间距。
根据另一实施方式，壳体包括平坦的后壁和平行于该后壁延伸的前壁。由此，一维超声换能器单元能特别简单且可靠地安置和定向在表面上。超声换能器优选安置在后壁上并且声通道优选在前壁上或在前壁中终止。特别优选的是，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都沿着直线布置。例如，由声通道的输入部所撑开的直线明显比由输出开口撑开的直线长。
附图说明
下面，参照附图详细地阐明本发明。在此，相同种类的部件以同一附图标记标注。所示出的实施方式是强烈示意性，也就是说，距离和横向延伸和纵向延伸不是按比例的，除非另有说明，否则相互之间不具有可推导的几何关系。在此示出：
图1A根据本发明的用于区域监测的一维超声换能器单元的第一实施例的视图，
图1B根据本发明的用于区域监测的一维超声换能器单元的第二实施例的视图，
图2根据本发明的一维超声换能器单元的壳体的一个实施方式的截面图，
图3根据本发明的声通道的另一实施方式的视图，
图4根据本发明的声通道的另一实施方式的视图，
图5单个声通道的另一实施方式的视图，
图6声通道的输出面的多种实施方式的示意图。
具体实施方式
图1A的示图示出根据本发明的用于区域监测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，该壳体借助紧固器件11安置在通道104上方的壁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，主传播方向在图像平面上是可摆动的(虚线、点线或点划线)，由此，可以可靠地监测通道104的整个区域。对象106，例如人和/或地板和/或通道104的侧壁反射声波11。借助一维超声换能器单元10可以可靠地控制通道104的整个区域。在必要时，可以根据对象的形状来识别穿过通道104的对象106。
在图1B的示图中示出根据本发明的一维超声换能器单元10的第二实施方式。一维超声换能器单元10借助紧固器件11在上方安置在建筑物天花板106上，使得借助超声波可以感测在单元10的通过摆动扩展的感测区域内的对象110。对象110的形状或表面结构也能借助单元10来求取。
在图2的示图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布置五个分立的超声换能器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配属有一个声通道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分别这样布置在超声换能器12中的一个超声换能器的前面或周围，使得各个超声换能器12辐射到声通道22中。声通道22的输出开口26沿着壳体14的与后壁对置的平坦的前壁30布置或穿过前壁30。
每两个相邻的输出开口26具有从输出开口26的中心到输出开口26的中心的间距A2。根据本发明，这些输出开口26的间距A2分别小于或等于所配属的或者说对应的超声换能器12的间距A1。
从每个声耦出层20直至对应的声通道22的输出开口26的长度L1是声频率的波长的八分之一的整数倍。
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。通过以时移或相移的方式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，能借助从各个声通道的输出开口26中射出的声波之间的相移来调整主传播方向。
在图3示出的实施例中，声通道22这样延伸，使得所有声通道22的输出开口26位于共同的平坦的平面E1中。在示出的实施例中，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。各个声通道22的仍位于每个声通道22的输入开口24前面的区域34这样构造，使得对应配属的超声换能器12精确地配合到声通道22中。为此，每个声通道22在该区域中具有与外径D1相应的内径和用作止挡部的棱边36。
壳体14还包括可运动的遮盖设备32。在所示出的实施例中，遮盖设备32处于闭合状态中。为此，遮盖设备布置在壳体14的前壁30与输出开口26的前面，使得声通道22被关闭。在打开状态下，遮盖设备32例如通过折叠或移动不再位于前壳体壁30和输出开口26的前面并且露出输出开口26。
在图4所示出的实施例中，所有声通道36的输出开口40位于凹形弯曲的面F1中。
在图5的示图中，示意性示出单个声通道22，其中，下面阐述与图1至4的区别。
输入开口24具有宽度x1、高度y1的横截面，输出开口26具有宽度x2、高度y2的横截面。
输入开口24构造为圆形，也就是说，横截面的宽度x1和高度y1具有相同的值。而输出开口26具有椭圆形状，使得该横截面的宽度x2小于宽度y2。
优选，输出开口26的宽度x2小于输入开口26的宽度x1。而输出开口26的高度y2优选大于输入开口24的高度y1。特别优选，声通道22的高度增大这样补偿声通道22的宽度减少，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。
显然，每个输出开口26的宽度x2必须小于声频率的波长，以便可以使从输出开口26的中心至相邻的输出开口26的中心的间距最高实现为声频率的波长。
在图6的示图中，示意性示出输出开口26的横截面的多个根据本发明的实施例。为了使输出开口26的横截面的面积相应于输入开口24的横截面的面积，具有宽度x2关于高度y2的约为1.5的比例的形状尤其合适。

Claims (10)

1.一种用于区域监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(16)、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地操控每个超声换能器(12)，
-所述壳体(14)包括用于紧固在表面上的紧固器件(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(18)和布置在所述换能器壳体(18)的敞开端部的、用于耦出到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)中的固定位置上，
-每个超声换能器(12)设计为用于，辐射和/或接收具有一致的工作频率的声波，以及
-所述声波的工作频率处于20千赫至400千赫之间，
其特征在于，
-在所述壳体(14)中，每两个彼此直接相邻的超声换能器(12)具有从所述声耦出层(20)的中心至所述声耦出层(20)的中心的最高10厘米或最高5厘米或最高2厘米的间距(A1)，
-所述一维超声换能器单元(10)的每个超声换能器(12)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)恰好配属有所述输入开口(24)中的一个输入开口，
-所述输出开口沿直线布置，
-所述输出开口分别布置在所述壳体的壁中，或所述声通道穿过所述壳体的所述壁，
-从所述输出开口(26)中的一个输出开口的中心至直接相邻的输出开口(26)的中心的间距(A2)最高相当于所述气态介质中的波长，或者最高相当于所述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)分别小于对应于相应的输入开口(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)的面积的商具有0.30和1.2之间的值，并且
-每个声通道(22)具有至少一个相应于所述输入开口(24)的直径的长度。
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，所述壳体具有能运动的遮盖设备(32)，其中，所述遮盖设备(32)设计为用于关闭所有声通道(22)的所述输出开口(26)。
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，所述输出开口(26)的面积与所述输入开口(24)的面积的商具有0.5和1.5之间或0.9和1.1之间的值。
4.根据权利要求1至3中任一项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)至所配属的声通道(22)的输出开口(26)的长度(L1)并且所述长度(L1)为声频率的波长的八分之一的整数倍或声频率的半波长的整数倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，所有声通道(36)的所述输出开口(26)位于共同的平坦的平面(E1)中或位于弯曲的面(F1)中。
6.根据权利要求1至5中任一项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包括金属或塑料。
7.根据权利要求1至6中任一项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)和所述换能器壳体(22)之间具有声解耦层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一维超声换能器单元(10)，其特征在于，所述控制单元完全或部分地布置在所述壳体(14)中。
9.根据权利要求1至8中任一项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IP40防护等级地构造。
10.根据权利要求1至9中任一项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的数据传送。
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