CN112639418A - 用于非侵入性测量的换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于非侵入性测量的换能器(10)。换能器包括剪切型压电元件(20)和主体材料(30)。剪切型压电元件安装到主体材料的第一面(40)。主体材料的第二面(50)构造成安装到器皿(60)的壁。器皿构造成保持液体(70)。当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在以激活频率被激活时配置成将Lamb波发射到器皿的壁中。换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于非侵入性测量的换能器并且涉及一种非侵入性测量方法。
背景技术
由附接到器皿的壁的换能器生成的超声波已用于容纳于器皿内的液体的诸如液位、声速、混合状态等的参数的非侵入性测量。用语“器皿”在此并且贯穿本文献在广义上使用，不限于封闭容器，而是还包括至少部分地开放的容器，并且还包括构造成容纳或引导任何种类的介质(诸如，所有种类的液体、液化固体或气体)的管或管道或管线。用语“换能器”在此并且贯穿本文献使用以包括发送器和接收器两者。
然而，发射到液体中的辐射场可能并非如所期望的那样，从而导致非最优测量。
需要解决该问题。
发明内容
因此，将为有利的是，具有改进的用于非侵入性测量的换能器和改进的非侵入性测量方法。
本发明的目标利用独立权利要求的主题来解决，其中，另外的实施例并入从属权利要求中。应当注意到，本发明的以下描述的方面适用于用于非侵入性测量的换能器和非侵入性测量方法两者。
在第一方面，提供了一种用于非侵入性测量的换能器，该换能器包括：
- 剪切型压电元件；和
- 主体材料。
剪切型压电元件安装到主体材料的第一面。主体材料的第二面构造成安装到器皿的壁。用语“安装到”在此并且贯穿本文献在广义上使用，包括直接安装，而且还包括使用某个中间层，例如，在主体材料与壁之间使用硅垫。器皿构造成保持液体。当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在作为发送器而被操作并且以激活频率被激活时配置成将Lamb波发射到器皿的壁中。换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。
以此方式，提供了用于存储于容器中的流体的参数的非侵入性测量的超声波的有效激励，从而使得例如液位、声速测量值以及其它流体参数能够被确定。
通过要求液体中的声速小于Lamb波的相位速度，可生成泄漏Lamb波或将泄漏Lamb波有效地发射到液体中以用于非侵入性测量。
换能器可配置成具有Lamb波的所要求的相位速度和液体中的泄漏Lamb波的所要求的辐射方向，因为这取决于相位速度与液体中的声速的比率。因而，提供了精确的辐射方向，由此实现在液体中准确地测量距离和声速。
注意到，利用用语“换能器”指定的元件也可为作为接收器而工作的元件。在这样的情况下，优化的换能器也是用于从具体的方向进入的波(诸如，平面波)的最佳滤波器。
在示例中，主体材料是聚酰胺。
通过使用具有适当的主体材料和优化的换能器几何结构的剪切型压电元件(非标准压电器件)，可在液体中生成具有隔离锥体的频率可操纵、明确限定、定向的超声束，这有益于非侵入性测量应用。尤其是，声场可几乎由沿单个方向传播的平面波组成。
在示例中，压电元件是单个陶瓷剪切型压电元件。剪切型压电元件具有不需要特别关注纵横比的优点。这与例如板型压电器件形成对比，板型压电器件生成纵向波和横向波，并且，在板型压电器件中，因而需要仔细地控制纵横比。在剪切型压电器件的情况下并非如此。
在示例中，换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于剪切型压电元件中的声速。
以此方式，可有效地生成Lamb波。
在示例中，激活频率基于器皿的壁的厚度来选择。
在示例中，压电元件的面附接到主体材料的第一面。剪切型压电元件的面的尺寸显著地大于剪切型压电元件的与剪切型压电元件的面垂直的厚度。
在示例中，剪切型压电元件的厚度至少部分地基于激活频率。
在示例中，剪切型压电元件的尺寸至少部分地基于激活频率。
在示例中，当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在被激活时配置成将泄漏Lamb波发射到由器皿保持的液体中。泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于剪切型压电元件的厚度。
在示例中，当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在被激活时配置成将泄漏Lamb波发射到由器皿保持的液体中。泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于剪切型压电元件的面的尺寸。
在示例中，主体材料的第一面与主体材料的第二面成角度。
因而，可优化主体材料的形状，以提供将泄漏Lamb波发射到液体中的提高的效率。
在第二方面，提供了一种非侵入性测量方法，该非侵入性测量方法包括：
a) 将换能器安装到容纳液体的器皿，其中，换能器包括剪切型压电元件和主体材料，其中，剪切型压电元件安装到主体材料的第一面，并且，主体材料的第二面安装到器皿的壁；和
b) 以激活频率激活(220)换能器，以将Lamb波发射到器皿的壁中；并且其中，器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。
上文的方面和示例将从下文中所描述的实施例变得显而易见并且参考这些实施例来阐明。
附图说明
将在下文中参考以下附图来描述示例性实施例：
图1示出用于非侵入性测量的换能器的示意性表示；
图2示出非侵入性测量方法；
图3示出具有在液体中激励被扰乱的泄漏Lamb波的板型压电元件的换能器；
图4示出具有在液体中激励未被扰乱的泄漏Lamb波的剪切型压电元件的图1的换能器的示例；以及
图5示出两个Lamb波模式(对称和非对称)的随着频率而变化的相位速度。
具体实施方式
图1示出用于非侵入性测量的换能器10的示例。换能器10包括剪切型压电元件20和主体材料30。剪切型压电元件安装到主体材料的第一面40。主体材料的第二面50构造成安装到器皿60的壁。器皿构造成保持液体70。当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在以激活频率被激活时配置成将Lamb波发射到器皿的壁中。换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。
根据示例，主体材料是聚酰胺。
根据示例，压电元件是单个陶瓷剪切型压电元件。
根据示例，换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于剪切型压电元件中的声速。
根据示例，激活频率基于器皿的壁的厚度80来选择。
根据示例，压电元件的面90附接到主体材料的第一面。剪切型压电元件的面的尺寸100显著地大于剪切型压电元件的与剪切型压电元件的面垂直的厚度110。
根据示例，剪切型压电元件的厚度至少部分地基于激活频率。
根据示例，剪切型压电元件的尺寸至少部分地基于激活频率。
根据示例，当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在被激活时配置成将泄漏Lamb波发射到由器皿保持的液体中。泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于剪切型压电元件的厚度。
根据示例，当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在被激活时配置成将泄漏Lamb波发射到由器皿保持的液体中。泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于剪切型压电元件的面的尺寸。
根据示例，主体材料的第一面与主体材料的第二面成角度。
图2将非侵入性测量方法200以其基本步骤示出。方法200包括：
在安装步骤210(其也被称为步骤a))中，将换能器安装到容纳液体的器皿，其中，换能器包括剪切型压电元件和主体材料，其中，剪切型压电元件安装到主体材料的第一面，并且，主体材料的第二面安装到器皿的壁；和
在激活步骤220(其也被称为步骤b))中，以激活频率激活换能器，以将Lamb波发射到器皿的壁中；并且其中，器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。
在示例中，主体材料是聚酰胺。
在示例中，压电元件是单个陶瓷剪切型压电元件。
在示例中，在步骤b)中，器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于剪切型压电元件中的声速。
在示例中，步骤b)包括基于器皿的壁的厚度来选择激活频率。
在示例中，在步骤a)中，压电元件的面附接到主体材料的第一面。剪切型压电元件的面的尺寸显著地大于剪切型压电元件的与剪切型压电元件的面垂直的厚度。
在示例中，剪切型压电元件的厚度至少部分地基于激活频率。
在示例中，剪切型压电元件的尺寸至少部分地基于激活频率。
在示例中，步骤b)包括将泄漏Lamb波发射到由器皿保持的液体中。泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于剪切型压电元件的厚度。
在示例中，泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于剪切型压电元件的面的尺寸。
在示例中，主体材料的第一面与主体材料的第二面成角度。
现在参考图3-5来更详细地描述用于非侵入性测量的换能器以及非侵入性测量方法。
图3示出用于非侵入性测量的换能器。板型压电元件安装或附接到主体材料或基体材料。主体材料安装或附接到容纳液体的器皿的钢壁。板型压电元件在换能器材料中激励纵向(并且在较小程度上)横向波。横向模式具有特殊波型式；在最简单的情况下，从压电元件的上半部分和下半部分发出具有相反标记的两个剪切波。产生了用于器皿壁中的Lamb波的复杂激励型式。发射到液体中的泄漏Lamb波具有不期望的辐射场，其中，声音以分离的锥体并且沿不同方向发出。
图4示出解决这些问题的本解决方案。剪切型压电元件安装到主体材料，主体材料本身安装到容纳液体的器皿的壁。因而，剪切型压电致动器或元件安装于基体(主体)材料上，以形成超声换能器。换能器连接到流体加载板(器皿壁)，在流体加载板中，非对称Lamb波被激励。这些波相对于板法线以一定角度将能量以压力波(泄漏Lamb波)的形式发出到液体中。提供定向性和可操纵性，其中，针对具有单个锥体的束而进行束控制。这改进了针对液体的非侵入性测量的测量值(诸如，液位、流量等)。以此方式，使用单个剪切型压电换能器，从而降低现有技术的成本和复杂性，现有技术使用由多个单独的压电元件构成的超声换能器相位阵列并且要求复杂且昂贵的驱动电子器件，或使用具有涉及可用于某些应用的可用的声功率的问题的Y切割式石英晶体。参见A. McNab和M. J. Campbell的Ultrasonicphased arrays for nondesctructive testing(用于非破坏性测试的超声相位阵列)(NDTInternational，第20卷，第6期，1987年，第333-337页，ISSN 0308-9126)、GB738376(A)、US4692654A、WO2016134005A1、EP0264991A1以及DE10221771A1。
继续参考图4，主体材料是聚酰胺，由于聚酰胺的声学材料性质，已选择聚酰胺。这确保横向压力波(剪切波)的传播速率可与钢容器壁中的适当的Lamb波的相位速度匹配。“匹配”意味着，进入换能器材料中的束的波长到壁上的投射匹配Lamb波在壁中的波长。Lamb波的相位速度的控制如图5中所示出的那样通过激励信号的频率控制来实现。操作频率范围由板(容器的壁)的厚度确定，板的厚度继而限定关于材料的尺寸、类型而对压电致动器进行的选择。横向波和纵向波的解耦可通过以下方式来实现：a)选择性地激励振动模式，或b)适当地选取压电尺寸，其中，模式分离通过使用具有高纵横比的单个陶瓷剪切型压电元件来实现。适当地选择压电厚度和纵横比实现方向控制，而不引入横向振动与纵向振动之间的显著的模式耦合。如图4中所示出的，剪切型压电元件将单向的横向地取向的压力波发出到主体材料中。结果，实现压电元件接触表面平行于与主体材料的界面的单向位移，并且，发射压电元件接触表面中的剪切波。因此，如此激励的剪切波表现出具有单向位移方向的相前。横跨相前的该单向位移增强下者的效应：激励沿着容器壁沿一个方向传播的单个“相位匹配”Lamb波，从而造成液体中的未被扰乱的泄漏Lamb波辐射型式。压电元件安装于楔形主体材料上，其中，楔角被优化，以提供在液体中激励泄漏Lamb波并且将最大程度的功率传输提供到液体中的效率-参见DE10221771A1。
注意到，参考不同主题来描述本发明的实施例。换能器30可由多种材料制成，而非由单个实心块(例如，所附接的硅垫)制成。特别地，一些实施例参考方法类型权利要求来描述，而其它实施例参考装置类型权利要求来描述。然而，本领域技术人员将从上文和以下描述推断，除非另外被通知，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同的主题的特征之间的任何组合也被认为是利用本申请来公开。然而，所有特征都可组合，从而提供超过特征的简单汇总的协同效应。
虽然已在附图和前文的描述中详细地图示并且描述本发明，但这样的图示和描述将被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开以及从属权利要求，本领域技术人员可在实践要求保护的发明中理解并且实现针对所公开的实施例的其它变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且，不定冠词“一”或“一种”不排除多个。单个处理器或其它单元可实现权利要求书中所叙述的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实不指示这些措施的组合不可用于获利。权利要求书中的任何参考标记都不应当被解释为限制范围。
Claims (14)
1. 一种用于非侵入性测量的换能器(10)，包括：
- 剪切型压电元件(20)；和
- 主体材料(30)；
其中，所述剪切型压电元件安装到所述主体材料的第一面(40)；
其中，所述主体材料的第二面(50)构造成安装到器皿(60)的壁，所述器皿构造成保持液体(70)；
其中，当所述主体材料的所述第二面安装到所述器皿的所述壁时，所述换能器在以激活频率被激活时配置成将Lamb波发射到所述器皿的所述壁中；并且
其中，所述换能器配置成使得所述器皿的所述壁中的所述Lamb波的相位速度大于由所述器皿保持的所述液体中的声速。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述主体材料是聚酰胺。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述压电元件是单个陶瓷剪切型压电元件。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述换能器配置成使得所述器皿的所述壁中的所述Lamb波的所述相位速度大于所述剪切型压电元件中的所述声速。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述换能器配置成使得所述器皿的所述壁中的所述Lamb波的所述相位速度大于所述主体材料中的横向波的速率。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述激活频率基于所述器皿的所述壁的厚度(80)来选择。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述压电元件的面(90)附接到所述主体材料的所述第一面，并且其中，所述剪切型压电元件的所述面的尺寸(100)显著地大于所述剪切型压电元件的与所述剪切型压电元件的所述面垂直的厚度(110)。
8.根据从属于权利要求6时的权利要求7所述的换能器，其特征在于，所述剪切型压电元件的所述厚度至少部分地基于所述激活频率。
9.根据从属于权利要求6时的权利要求7-8中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述剪切型压电元件的所述尺寸至少部分地基于所述激活频率。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的换能器，其特征在于，当所述主体材料的所述第二面安装到所述器皿的所述壁时，所述换能器在被激活时配置成将泄漏Lamb波发射到由所述器皿保持的所述液体中，并且其中，所述泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于所述剪切型压电元件的所述厚度。
11.根据权利要求7-9中的任一项所述的换能器，其特征在于，当所述主体材料的所述第二面安装到所述器皿的所述壁时，所述换能器在被激活时配置成将泄漏Lamb波发射到由所述器皿保持的所述液体中，并且其中，所述泄漏Lamb波的传播方向至少部分地基于所述剪切型压电元件的所述面的所述尺寸。
12.根据权利要求7-9中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述激活频率的改变导致所述泄漏Lamb波的所述传播方向的改变，使得可实现可适应的换能器。
13.根据权利要求1-12中的任一项所述的换能器，其特征在于，所述主体材料的所述第一面与所述主体材料的所述第二面成角度。
14. 一种非侵入性测量方法(200)，包括：
a) 将换能器安装(210)到容纳液体的器皿，其中，所述换能器包括剪切型压电元件和主体材料，其中，所述剪切型压电元件安装到主体材料的第一面，并且，所述主体材料的第二面安装到所述器皿的壁；和
b) 以激活频率激活(220)所述换能器，以将Lamb波发射到所述器皿的所述壁中；并且其中，所述器皿的所述壁中的所述Lamb波的相位速度大于由所述器皿保持的所述液体中的声速。
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