CN115210005A - 流体分析设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种超声换能器，包括压电元件、流体介质接触层、位于压电元件和流体介质接触层之间的匹配层，以及背衬层。还描述了利用该超声换能器的超声传感器设备，该设备用于诸如乳汁的流体的分析系统。

Description

流体分析设备
相应申请的声明
本申请基于关于新西兰专利申请No.756776提交的临时说明书，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及流体分析——更具体地涉及用于乳汁分析的超声换能器。
背景技术
使用传感器来获得与从乳畜收集的乳汁相关的信息是公知的。这些信息被用于关于诸如乳汁加工、宰杀、繁育、治疗、动物特定饲料配给以及乳汁生产效率测量等事项的决策。
本领域已知许多便携式离线分析仪用于分析乳汁样本以确定诸如脂肪、蛋白质、乳糖和总固体的参数。这种使用超声分析的分析仪的示例包括Page&PedersenInternational,Ltd(www.pagepedersen.com)的LactiCheckTM乳汁分析仪；MilkotesterLtd(www.milkotester.com)的Master乳汁分析仪；以及由Milkotronic Ltd(www.lactoscan.com)的LACTOSCANTM乳汁分析仪。
与可商购的在线传感器相比，这种离线分析仪一般能够进行相对高精度的测量。然而，这种分析仪在收集用于分析的样本方面具有实际限制——要求操作者收集样本并将样本传送至传感器。
已知其它类型的传感器用于挤奶系统中，由此从系统中自动提取样本用于分析。然而，已知的基于超声的分析仪不能很好地适用于该应用，即无法流体连接到至挤奶系统。例如，具有测量单元和一个或多个换能器的传感器需要适合暴露于乳汁以及清洁挤奶系统时常用的化学品。然而，用于这种界面的材料选择需要权衡成本以及材料的超声传输和声阻抗特性。
本公开的一个目的在于解决上述问题或至少向公众提供有用的选择。
本公开的其它方面和优点将从以下仅以示例方式给出的描述中变得明显。
发明内容
本公开提供了超声换能器、利用该换能器的超声传感器设备，以及流体样本分析系统。
根据本公开的一个方面，提供了一种超声换能器，包括压电元件、流体介质接触层、位于压电元件和流体介质接触层之间的匹配层，以及背衬层。
提供换能器元件的布置和材料特性以获得期望的性能特性。一般地，可以设想，这种布置可以用于减少声信号在材料边界或边界组合处的反射，其目的是获得用于将信号发送至样本以及从样本接收信号的换能器性能，如在时域和频域中观察到的，样本具有近乎理想的阻尼特性。
更特别地，可以设想本公开的示例性实施例可以用于感测乳汁和/或水的特性，其中，乳汁的标称声阻抗为1.56Mrayl，而水的标称声阻抗为1.49MRayl。然而，应当理解的是，本公开的示例性实施例也可以用于感测其它流体，特别是食品或医疗产品。在示例中，流体可以是非气态的。在示例中，流体可以是液体。在示例中，流体可以是液体中悬浮有固体的溶液，如浆料。
可以设想，随着流体的阻抗朝向流体介质接触层的阻抗增加，在该边界处传输的能量可能会增加。对于较低阻抗的流体，反之亦然，但是，虽然可以预期透射能量更少且反射能量相对更多，可以设想仍然可以获得有用的测量。举例来说，乙醇(标称声阻抗0.95MRays)和蜂蜜(标称声阻抗2.89MRayl)被设想为是与换能器一起使用的合理的测量介质。
在示例性实施例中，压电元件可以是以下一个或多个：
·偏铌酸铅压电元件；
·声阻抗在15至22MRayl之间的压电元件。
偏铌酸铅是可商购的压电陶瓷材料，与诸如锆钛酸铅(PZT)的其它压电陶瓷材料相比具有相对较低的声阻抗。可以设想，这种相对较低的阻抗可以有助于减小压电元件和流体介质接触层之间的阻抗间隙。此外，这有助于提供声阻抗相当的背衬层。阻抗值相对较低并且可以用于本公开的示例性实施例的其它压电材料也是可用的(例如压电复合材料)，但是可以设想，偏铌酸铅可以特别应用于优先考虑限制成本的实施例。在示例性实施例中，偏铌酸铅可以是APC 3285(可从APC International获得)。
在示例性实施例中，流体介质接触层可以是以下一个或多个：
·聚合物层；
·声阻抗在2.5至3.5MRayl之间的流体介质接触层。
在流体介质接触层是聚合物层的示例性实施例中，聚合物可以是聚砜。一般地，聚砜的特征在于具有非常适合挤奶系统环境的性能，诸如化学惰性、韧性和热稳定性。聚砜的声阻抗为2.78MRayl量级，与其它材料相比相对接近于流体介质(例如乳汁或水)的声阻抗，从而减少了在接触层和流体介质之间的边界处的反射。除上述性能之外，聚砜还具有适当的声音传输性能，与其它材料相比降低了衰减。就价格点和加工或模制能力而言，聚砜也被认为适用于本公开的示例性实施例。
应当理解的是，提及由聚砜组成的聚合物层并非旨在限制本公开的所有实施例。举例来说，可以设想聚合物可以是无定形聚酰胺(例如可从EMS Group获得的Grilamid TR90产品)——特别是在旨在用于挤奶系统或与挤奶系统一起使用的情况下。还应当理解的是，在示例性实施例中，聚合物层可以是复合材料，或具有非聚合物填料的聚合物。
在示例性实施例中，流体介质接触层的厚度可以被配置为将来自流体和流体介质接触层之间界面的声信号的反射延迟声信号的预定数量波长或部分波长。提及流体介质接触层的厚度应理解为表示在压电元件和流体介质接触层界面之间的方向上的尺寸。可以设想，作为其它设计约束的结果，在该界面处可能存在声阻抗的某种失配，从而导致可能影响信号检测和分析的反射。期望延迟反射能够降低其影响——即在来自脉冲信号的大部分振铃已经变弱之后再由压电元件接收。
在示例性实施例中，延迟的波长数量可以是至少四个。这样，流体介质接触层的厚度可以是声信号的至少两个波长(使得总路径长度是四个波长)，更特别地，是设计带宽的低频截止处的两个波长。
在另一示例性实施例中，流体介质接触层的厚度可以是波长长度的四分之一(例如在0.2至0.3个波长之间)，以提供如下文关于匹配层所描述的四分之一波长匹配效果。
在示例性实施例中，匹配层可以是以下一个或多个：
·烃陶瓷层压板层；
·声阻抗在4至10MRayl之间的匹配层；
·声阻抗在4至10MRayl之间的电路板层。
应当理解的是，在超声换能器的上下文中提及匹配层旨在表示被设置为减少声路中在两种材料——更特别的，压电元件和流体介质接触层——之间反射的能量的中间层。
对于这种具有垂直入射的平面谐波的几何形状，存在用于计算来自压电元件和流体接触层的声能透射系数的标准公式(反之亦然)。这些公式表明，当匹配层的厚度等于材料内的1/4波长时，Z0＝√(Z1.Z2)，其中，Z0是匹配层的声阻抗，Z1和Z2是压电元件和流体接触层的声阻抗，透射系数将最大化，并且频率响应接近理想阻尼换能器的频率响应。
可以设想，在本公开的示例性实施例中，匹配层阻抗在4至10MRayl之间可能是合适的。在示例性实施例中，匹配层的声阻抗可以在5至8MRayl之间。
在匹配层是电路板层的示例性实施例中，可以设想匹配层可以提供与压电元件的电连接——即除了在压电元件和流体介质接触层之间匹配声阻抗的功能之外。
在匹配层是烃陶瓷层压板的示例性实施例中，烃陶瓷层压板可以是诸如RO4000系列(可从Rogers Corporation获得)的层压板，更特别地RO4003C或其等同物的层压板。
除了具有在本公开的示例性实施例中使用的6MRayl量级的适当声阻抗之外，该材料制备有用于PCB应用的铜层(通过电沉积铜箔)，并且具有比其它电路板材料更适合在本公开中使用的构造。典型的PCB玻璃纤维构造容易散射超声信号，具有相关损耗。相比之下，RO4000材料具有更小的粒径和更薄的玻璃纤维增强，从而减少了散射。
在示例性实施例中，匹配层的厚度可以提供与超声信号匹配的四分之一波长。更特别地，匹配层的厚度可以在换能器中心频率处的信号波长的20％至30％之间(即在声信号的0.2至0.3个波长之间)。应当理解的是，一般期望匹配材料的厚度具有低可变性，以实现该设计参数。除了本文描述的其它特性之外，还认为RO4000材料具有高度受控的厚度。例如，在本公开的示例性实施例中使用的RO4003材料可以以0.203mm的标准厚度获得，其在大约3.75MHz的中心频率下约等于四分之一波长。
应当理解的是，虽然匹配层可以是单层材料，但在示例性实施例中，匹配层也可以包括两层或更多层。然而，控制每个层的厚度变得特别重要，因此，实现多个匹配层的成本可能不必要地变高。
应当理解的是，在示例性实施例中，可以在匹配层中使用替代材料——例如氧化铝复合材料。
在示例性实施例中，背衬层可以是以下一个或多个：
·声阻抗基本上与压电元件相同的背衬层；
·声阻抗在15至20MRayl之间的背衬层；以及
·钨复合材料层。
背衬层形成将超声能量从压电元件向后引导的声路的一部分。认为期望传播至背衬层中的声信号被快速吸收——即通过压电元件传播的任何声信号，包括传输激励产生的声信号，在延长时间段内不回响。更特别地，从压电元件向后引导的超声能量应当基本上不返回，幅度的减小远小于此时向前传播的声能(例如减小一个量级)。
在背衬层是钨复合材料层的示例性实施例中，钨复合材料可以包括第一尺寸的钨颗粒和第二尺寸的钨颗粒。可以设想，与单个粒径相比，这有助于提高背衬层在更大的频率范围内吸收声信号的能力。此外，认为相对高密度的钨有助于实现合适的声阻抗。
在示例性实施例中，较大颗粒可以是粒状钨粉——诸如通过粉碎烧结的钨金属制成的钨粉(例如可从Buffalo Tungsten Inc获得的GW-100270)。在示例性实施例中，较小颗粒可以是细钨粉(例如可从Buffalo Tungsten Inc获得的C20-491)。应当理解的是，两种粒径之比可以根据背衬层的期望声学特性来调节；在示例性实施例中，粒状粉末与细粉末之比可以是56:7的量级。应当理解的是，背衬层可以包括钨颗粒的悬浮介质——例如环氧树脂。
在示例性实施例中，背衬层可以使用离心机制造，使得由于离心机施加的力，悬浮颗粒的密度存在分级。据信，沿背衬层长度的这种密度分级，以及进而阻抗分级，可以有助于衰减。
根据本技术的一个方面，根据本公开的示例性实施例构造的超声换能器可以具有以下一个或多个：1至10MHz之间的中心频率；3至5MHz之间的中心频率；3.5至4MHz之间的中心频率；以及约3.75MHz的中心频率。
诸如乳汁的介质中的超声信号衰减随频率增加而增加。这样，一般认为期望避免较高的中心工作频率，因为这将需要更多的能量来获得足够强度的接收信号。还据信较高频率的信号也可能使利用(一个或多个)换能器的传感器的相关电路的电子设计复杂化，造成成本和可靠性方面的相关问题。较高的频率也可能需要将压电元件和匹配层设计得更薄，其中，由于所需的精度，制造的复杂度开始上升，并且对于组装来说变得不合适地易碎。另外，在各层之间施加粘合剂的情况下，认为期望粘合剂的厚度比波长小得多——在较高频率下，每个配合表面的表面光洁度需要更严格的公差，以减少因粘合剂填充表面的空隙而导致的不连续性。
相反，在较低的设计频率下，关键声学部件的轴向尺寸将相对于波长在很大程度上增加。另外，在背衬层中传播的声信号的衰减对频率非常敏感，因为其部分地与波散射有关。结果，在较低频率下更难获得背衬性能。一般而言，较低的中心频率将导致较低的时间分辨率，并且期望相对于与较高频率相关联的效果来平衡该效果。
为了完整性，应当理解的是，换能器的中心频率是各层(例如压电元件、流体接触层、匹配层和背衬层)的特性的累积结果，并且可以通过修改这些特性来相应地调整中心频率。
根据本技术的一个方面，根据本公开的示例性实施例构造的超声换能器可以具有以下一个或多个：
·大于60％的－6dB百分比带宽；
·60％至100％之间的－6dB百分比带宽；
·2至3MHz之间的－6dB带宽。
可以使用标准来测量带宽，通过该标准将窄宽度脉冲电压施加至换能器以发射超声波。可以使用第二换能器来检测该波，或者将换能器配置为使发射的波反射并由同一换能器检测到。在这两种情况下，记录接收到的电压并将其用于表征换能器性能。
超声换能器需要足够的带宽以实现期望分辨率，更特别地，通过流体样本的声信号传播时间的时间分辨率。频率响应相对较窄的超声换能器将产生包含几个循环的脉冲，从而降低分辨率。相反，相对较宽的频率响应提供较高程度的阻尼，这在时域中产生较短的脉冲，产生较高的分辨率。然而，分辨率方面的性能需要权衡实际约束，诸如具有此类特性的压电元件的成本和可用性。这种部件的制造需要更复杂的处理技术，其中，相关成本是其在诸如用于农场乳汁分析的传感器的应用中使用的显著障碍。本公开的技术寻求在分辨率方面的期望性能水平与其它情况下可能禁止采用该技术的成本之间取得平衡。
在示例性实施例中，超声换能器可以包括壳体。在示例性实施例中，壳体可以包括主体。在示例性实施例中，主体的一部分可以提供流体介质接触层。
在示例性实施例中，主体可以包括突起部，换能器的声路穿过该突起部。可以设想，突起部可以采用实心圆柱轴的形式，轴的自由端提供平坦表面，旨在面向在使用中待感测的流体。
在示例性实施例中，主体材料中以及进而流体介质接触层中的声速可以是温度相关的。可以预期材料的温度可以在测量之间变化，并且还比被感测流体更显著地变化。其效果将取决于许多因素，例如换能器部件的形状、绝缘、所经历的温度范围和信号功率输入。然而，可以设想，从匹配层到平坦表面的轴长度可以改变环境温度影响流体的声速测量的程度。流体介质接触层暴露于环境条件，并且还接收来自压电元件和其它加热源的变化热输入。这意味着流体介质接触层的温度可能需要比流体更长的时间来稳定，并且可以根据环境条件在不同温度稳定。代替控制流体介质接触层的温度，可以设想通过将流体介质接触层的长度减小为整个声路长度的百分比来包含这种影响。在超声传感器设备中使用两个相对换能器的示例性实施例中，流体介质接触层的长度可以小于总路径长度的15％。如果需要更高的精度或更大的环境温度范围，则增加换能器的间隔或缩短流体介质接触层的长度可以进一步减小百分比。
在示例性实施例中，壳体可以包括被配置为固定在主体上的盖。可以设想，盖和主体可以包括互补螺纹——但应当理解的是，这不是限制性的。例如，盖和主体可以使用以下一个或多个来固定：过盈配合、夹子、紧固件或本领域已知的任何其它适当手段。
在示例性实施例中，超声换能器可以具有压电组件，压电组件包括压电元件和匹配层。
在示例性实施例中，压电组件可以包括元件保持器。元件保持器可以包括压电元件位于其中的孔。在示例性实施例中，元件保持器可以由电路板材料制成。
在示例性实施例中，匹配层可以跨越元件保持器的孔。在示例性实施例中，匹配层可以提供与压电元件的电接触——例如，其中，匹配层是电路板。
在示例性实施例中，压电组件可以包括位于压电元件的与匹配层相对的另一侧上的电触点。在示例性实施例中，电触点可包括箔条——例如厚度为35μm或以下量级的铜箔。在示例性实施例中，箔可以被布置为跨越元件保持器的孔并接触压电元件的整个面。可以设想，箔条可以焊接在元件保持器上。可以设想，可以将箔厚度选择为在组装过程中提供一定程度的稳固性，但不足以厚到明显影响背衬层的声路。
在示例性实施例中，可以在元件保持器上提供一个或多个电子部件。
在示例性实施例中，壳体主体和/或压电组件可以被配置为在换能器组装期间将压电组件定位在期望位置和取向。例如，壳体主体可以包括接纳部分，接纳部分被配置为接纳压电组件并且被成形为限制移动——特别是旋转或横向移动。
根据本公开的一个方面，提供了一种超声传感器设备，包括：中空体，中空体被配置为接纳待分析流体、第一超声换能器和第二超声换能器。
在示例性实施例中，中空体可以是细长中空体。例如，设想中空体可以是管。
在示例性实施例中，第一超声换能器和第二超声换能器可以被布置为穿过中空体彼此面对。在中空体是细长中空体的示例性实施例中，换能器可以设置在中空体的远端。
在示例性实施例中，中空体可以由金属制成。在示例性实施例中，中空体可以由不锈钢制成。
在乳汁的离线感测中使用的基于超声波的测量单元中，中空体通常由黄铜制成，其具有高传热系数并且可以被构造为具有非常薄的壁，从而允许其快速且精确地控制乳汁温度。然而，黄铜不能耐受清洁挤奶系统时常用的酸性化学品。不锈钢的使用可以帮助提供对此类化学品的耐受性，使得能够使用已经在更广泛的系统中使用的化学品来清洁该设备。这对于组装有进一步的暗示，因为黄铜材料允许现有技术的超声换能器组件使用焊料以相对简单且稳固的方式固定在一起并固定至测量单元。然而，基于焊料的组装方法与诸如不锈钢和聚砜的材料不相容。因此，本公开的特征旨在促进换能器和使用换能器的超声传感器设备的组装，同时需要牢记以下一个或多个考量：可重复性、牢固且稳固的构造、实现与压电元件的电连接而对声学性能没有显著影响，并且在成本限制和用于乳汁接触的材料适用性的一般约束下实现该动作。
根据本公开的一个方面，提供了一种超声传感器设备，包括：中空体，中空体具有声学反射表面并且被配置为接纳待分析流体，以及面向声学反射表面的第一超声换能器。
在示例性实施例中，各超声换能器的压电元件之间的路径长度，或者超声换能器的压电元件与声学反射表面之间的总返回路径长度可以是以下之一：大于约25mm；在25mm至100mm之间；在50mm至80mm之间；大于约50mm；在60mm至75mm之间；以及约70mm。可以设想，此类实施例可以特别适用于中空体是管状，并且用于流体是乳汁的情况的实施例。
根据本公开的一个方面，提供了一种流体分析系统，包括：超声传感器设备；样本递送设备，样本递送设备被配置为将流体样本从流体运送和/或存储系统递送至超声传感器设备；以及至少一个处理器，至少一个处理器被配置为至少部分地基于从超声传感器设备输出的信号来确定流体样本的特性。
在示例性实施例中，流体可以是从乳畜体内提取的乳汁。可以设想，本公开可以特别应用于乳汁从提取点转移至储存容器期间的乳汁分析。挤奶系统通常包括来自各提取点(例如使用包括挤奶杯的挤奶器组)的单独乳汁输送管道，这些管道连接至公共输送线路以递送至储存容器。
在示例性实施例中，系统可以在单个单元中实现——该单元在本文中可以被称为传感器。就传感器如何暴露于待分析流体而言，传感器的各种配置在本领域中是已知的。在本领域中使用诸如“线上(in-line)”、“在线(on-line)”、“旁线(at-line)”、“近线(near-line)”和“离线(off-line)”的术语来区分这些配置——然而，在使用中存在一定程度的不一致性。为了清楚起见，提及在线传感器应理解为表示从流体源(例如挤奶系统上下文中的乳汁管线或罐)自动提取流体样本，并分析流体样本以确定样本的至少一个特性的传感器。如本文所使用的，术语“在线”可以涵盖将样本返回源或丢弃的实施例。在本领域中，术语“旁线”和“离线”可以用于区分传感器被配置为用于在怎样的环境下操作。旁线传感器和离线传感器均被配置为分析由操作者递送至传感器的流体的离散样本。旁线传感器(也可以称为“近线”传感器)通常旨在位于流体源附近——例如挤奶设施内——而离线传感器主要旨在用于环境受控环境——例如实验室中。在实践中，特别是对于挤奶操作，离线传感器对样本的分析可能需要将样本从样本源输送至远程设施。如本文所使用的，术语“离线”应当理解为表示从流体收集样本，并由操作者而不是自动化系统递送至传感器的传感器配置。如本文所定义的在线和离线传感器可以通过分析从流体提取的样本而不是分析流本身的动作与线上传感器区分开。这样，在线和离线传感器可以统称为“样本”传感器。
附图说明
本公开的其它方面将从以下仅以示例方式给出的描述中并且参考附图变得明显，在附图中：
图1是可以在其中实现本公开的一个方面的示例性家畜管理系统示意图；
图2是根据本公开一个方面的示例性在线传感器示意图；
图3A是根据本公开一个方面的示例性超声传感器设备的俯视图；
图3B是超声传感器设备的侧面剖视图；
图4A是根据本公开一个方面的示例性超声换能器的组装立体图；
图4B是超声换能器的分解立体图；
图4C是超声换能器的侧面剖视图；
图5是根据本公开一个方面的超声换能器的示例性压电组件立体图，并且
图6是根据本公开一个方面的示例性超声换能器的频率响应曲线图。
具体实施方式
本文在乳汁分析的上下文中讨论了示例性实施例。然而，应当理解的是，本文所讨论的本公开原理也可以应用于其它流体的分析。
图1示出家畜管理系统100，其中，本地硬件平台102管理与挤奶设施的操作相关的数据的收集和传输。硬件平台102具有处理器104、存储器106和通常存在于此类计算设备中的其它部件。在所示的示例性实施例中，存储器106存储可由处理器104访问的信息，包括可由处理器104执行的指令108，以及可由处理器104检索、操纵或存储的数据110。存储器106可以是本领域已知的能够以处理器104可访问的方式存储信息的任何适当设备，包括计算机可读介质，或存储可以借助于电子设备读取的数据的其它介质。处理器104可以是本领域技术人员已知的任何适当设备。虽然处理器104和存储器106被示出为位于单个单元内，但是应当理解的是，这并非是限制性的，并且本文所描述的每个功能可以由多个处理器和存储器来执行，这些处理器和存储器可以彼此远离，也可以彼此不远离。指令108可以包括适合于由处理器104执行的任何指令集。例如，指令108可以作为计算机代码存储在计算机可读介质上。指令可以以任何适当的计算机语言或格式存储。数据110可以由处理器104根据指令108来检索、存储或修改。数据110还可以被格式化为任何适当的计算机可读格式。此外，虽然数据被示出为包含在单个位置处，但应当理解的是，这不是限制性的——数据也可以存储在多个存储器中或位置处。数据110还可以包括系统100各方面控制例程的记录112。
硬件平台102可以与挤奶设施的各种关联设备通信，例如：与挤奶设施中的各个挤奶器组相关联的线上传感器114a-114n，以及与各个挤奶器组或从其收集乳汁的奶罐相关联的在线传感器116a-116n形式的样本传感器。
提供动物标识设备118a-118n，用于确定进入或位于挤奶设施中的各种动物的动物标识(“动物ID”)。更特别地，动物标识设备118a-118n可以用于将动物ID与线上传感器114a-114n和在线传感器116a-116n的每个关联挤奶器组相关联，使得传感器数据可以归因于各个动物。已知有多种用于确定动物ID的方法——例如被配置为读取动物携带的RFID标签的射频识别(“RFID”)读取器。在替代实施例中，或者结合动物标识设备118a-118n，用户可以经由用户设备手动输入(或校正)动物ID——其示例在下面讨论。
硬件平台102还可以与用户设备通信，诸如挤奶设施内用于监测系统操作的触摸屏120和本地工作站122。硬件平台102还可以通过网络124与一个或多个服务器设备126通信，服务器设备126具有关联存储器128，用于存储和处理由本地硬件平台102收集的数据。应当理解的是，服务器126和存储器128可以采用本领域已知的任何适当形式——例如“基于云的”分布式服务器架构。网络124可能包括各种配置和协议，包括因特网、内联网、虚拟专用网、广域网、局域网、使用专用于一个或多个公司的通信协议的专用网——无论是有线的还是无线的，或其组合。应当理解的是，示出的网络124可以包括不同的网络和/或连接：例如，可以在挤奶设施附近通过其访问用户接口的本地网络，以及通过其访问云服务器的因特网连接。关于系统100的操作的信息可以通过网络124通信给诸如智能电话130或平板电脑132的用户设备。
参见图2，图中示出示例性传感器200，其可以用作(例如)一个或多个在线传感器116a-116n。在该示例性实施例中，在线传感器200包括超声传感器设备300，超声传感器设备300被配置为对包含在其中的乳汁执行基于超声的测量。
传感器200包括样本递送设备202，样本递送设备202被配置为连接至待采样的流体源——例如奶管204或奶罐206——并将流体样本递送至超声传感器设备300。
提供控制器208以控制所描述的各种部件的操作，接收由超声传感器设备300获得的数据，并通过诸如网络124的网络进行通信。
图3A和图3B示出超声传感器设备300的示例性实施例。传感器设备300包括不锈钢主管302形式的中空体，中空体具有第一端304a和第二端304b。第一端304a附近设置有第一端口管306a，第二端304b附近设置有第二端口管306b。在该示例性实施例中，端口管306从主管302沿相反方向径向延伸。在使用中，端口管306用作进出主管302的入口/出口。
在端口管306之间，主管302的外部可以由盘绕的加热线包裹，例如围绕主管302的漆包细铜绕组308和盘绕在铜绕组308上的较大镍铬合金线绕组310。虽然未示出，但可以设想，至少铜绕组308也可以设置在端口管306上。各个绕组308和310可以串联连接，并且提供电流以控制传感器设备300和/或被感测流体的温度。此外，绕组308和/或310的电阻可以用于确定温度。虽然未示出，但是也可以设想，至少在主管302上设置绝缘材料，以减小环境温度的影响和/或提高将流体加热至测量温度的效率。可以设想，绝缘材料可以不覆盖传感器设备300的端部，以允许从主管302的第一端304a处的第一超声换能器400a和第二端304b处的第二超声换能器400b散热。
第一超声换能器400a和第二换能器400b被布置为沿主管302的纵轴彼此面对。在使用中，其中一个换能器400被配置为发射器，另一个被配置为接收器。
图4A至4C示出超声换能器400的示例性实施例。换能器400包括壳体，壳体具有主体402和被配置为固定至主体402的盖404。参照图4C，主体402包括第一组螺纹406，盖404包括被配置为与第一组螺纹406啮合的第二组螺纹408。盖404包括工具啮合部分，例如六角形头410。在该示例性实施例中，壳体由聚砜制成，这将在下面进一步讨论。
参考图4A，主体402包括开槽部分412，开槽部分412被配置为接纳换能器400的部件。在所示的示例性实施例中，提供了压电元件保持器(在本文中称为压电保持器414)，其具有被配置为接纳压电元件418的孔416。在该实施例中，压电元件418是盘状偏铌酸铅压电元件。压电元件418的声阻抗在15至22MRayl之间，更特别地在16MRayl的量级。在示例性实施例中，压电元件由0.5mm厚的APC3285构成。当在示例性换能器设计中严重衰减时，所得到的换能器具有大约3.75MHz的中心频率。
在该实施例中，压电保持器414由电路板材料制成，以便于形成电连接。压电保持器414包括用于定位压电元件418的刚性部分和用作电连接的细长柔性部分504。压电保持器414的下方设置有压电接触件(在本文中称为压电触点420)，用于接触压电元件418。在该实施例中，压电触点420由具有35μm电沉积铜箔层的RO4003C制成，该产品可以从RogersCorporation公司获得。在该示例性实施例中，压电保持器414的相对侧(相对于压电触点420)上设置有箔条422——例如厚度为33μm量级的铜箔——形式的电触点。
箔条422上方设置有背衬元件424。背衬元件424一般为圆柱形，在相对侧上具有定位翼426a和426b。定位翼426与主体402的开槽部分412对准，从而有助于在组装期间保持背衬元件424的位置。背衬元件424和盖404之间设置有PTFE垫圈428。
参照图4C，在压电触点420下方，主体402包括圆柱轴430。轴430的远端具有平坦表面432，在使用中，平坦表面432呈现在主管302的内部(如图3B所示)。主体402从平坦表面432到压电触点420的厚度受若干因素影响。首先，聚砜的温度对声学性能(更特别地，声速)有影响，并且主体402受来自压电元件418和绕组308和310的热输入，以及环境温度波动的影响。其次，声信号的反射将发生在平坦表面432和流体之间的边界处，如果没有考虑这一点，会干扰信号分析。这样，在减小聚砜的作为整个信号传输路径百分比的厚度和获得足够的厚度以延迟反射之间存在着平衡。
此外，对于换能器400的组装存在实际考虑——例如，轴430具有足够的长度以装配至传感器设备300的主管302。还应当理解的是，轴430的直径尺寸可以相对于主管302的内径设计以产生密封，并且将换能器400机械地固定至主管320。
在图3A和图3B所示的示例性实施例中，换能器400a和400b的相应压电元件间隔69mm(包括端表面之间59mm的间隙，以及大约5mm的聚砜厚度)。每个换能器400的聚砜厚度为约5mm，其组合表示恰好小于总路径长度的15％。还认为期望反射延迟至少四个波长——即要求聚砜的厚度为至少两个波长。在聚砜中具有2.5MHz低频截止和2240m/s标称声速的设计中，通过主体402的信号的波长是0.896mm。5mm的厚度提供了11个波长的总路径长度，满足该设计标准。
当压电元件的声阻抗在16MRayl的量级时，期望背衬元件424的声阻抗基本上与之相同。在本文所述的示例性实施例中，背衬元件424由钨复合材料制成，包括相对较大尺寸钨颗粒(更特别地，粒状钨粉——诸如可从Buffalo Tungsten Inc获得的GW-100270)和相对小尺寸钨颗粒(更特别地，细钨粉——诸如可从Buffalo Tungsten Inc获得的C20-491)。可以设想，与单个粒径相比，这有助于提高背衬元件在更宽的频率范围内吸收声信号的能力。此外，认为相对高密度的钨有助于实现合适的声阻抗。在该示例性实施例中，钨颗粒悬浮在环氧树脂中，例如可从Epoxy Technology Inc获得的EpoTek 301。在示例性实施例中，比率GW-100270:C20-491:EpoTek 301A可以是56:7:3.5的量级(环氧树脂的第二部分EpoTek 301B稍后以0.875添加)。可以设想，未凝固的混合物可以在离心机中旋转，以促进钨颗粒朝背衬元件424的端部沉降，该端部在使用时邻近压电元件418。
主体402的聚砜可以是由非UV稳定的聚砜树脂生产的Sustason PSU棒料(可从Rochling Sustaplast SE&Co.KG获得)，其具有2.78MRayl量级的标称声阻抗。由于聚砜和压电材料之间的声阻抗差异，期望包含阻抗匹配层。为此，配置压电触点420。理想的匹配层的声阻抗(Z0)应当是相邻材料(即Z1和Z2)的声阻抗乘积的平方根，即Z0＝√(Z1.Z2)。对于本示例中的偏铌酸铅压电材料和聚砜界面，压电触点420的理想声阻抗是6.67MRayl。虽然通常优选的是，匹配层的声阻抗尽可能地接近理想值，但实际上，阻抗可以有更大的范围并且仍然产生有用的结果——特别是在存在其它设计约束的情况下。
压电触点420的厚度也被设计为提供与超声信号匹配的四分之一波长。更特别地，压电触点420的厚度可以在换能器400的中心工作频率(即3.75MHz)处的信号波长的20％至30％之间。这样，对于大约6MRayl的标称声阻抗和大约0.203mm的厚度，认为RO4003C压电触点420适合用于阻抗匹配。此外，可以为RO4003C材料提供电沉积铜箔，其在示例性实施例中用于提供压电保持器414和压电元件418的底面之间的电接触。在示例性实施例中，电沉积箔的厚度为35μm。
图5示出压电组件500，包括如前所述的压电保持器414、压电元件418、压电触点420和箔条422。在示例性实施例中，在组装换能器400之前，可以将压电触点420焊接至压电保持器414，并且将箔条422的一端焊接至压电保持器414。也可以将一个或多个电子部件502焊接至压电保持器414。可以看出，压电保持器414还包括柔性部分504——其可以用于提供与相关电路的电连接。所得到的子组件用于辅助换能器400的组装。
在组装过程中，将压电元件418插入箔条422下方的压电保持器414的孔416中。压电保持器414的厚度使得压电元件418突出至其上方，以确保与箔条422(且因此与背衬元件424)的接触。然后，将压电组件500插入主体402的开槽部分412中。开槽部分412和压电组件500的形状被设计为使得压电元件418在主体402的轴430上方居中。
在组装过程中，在压电元件418、压电触点420和箔条422之间使用环氧树脂粘合剂(例如可从3M Company获得的Scotch-WeldTMEpoxy Adhesive EC-2216B/A)以获得良好的声学接触，并且在压电触点420和主体402之间，以及箔条422和背衬元件424之间使用该环氧树脂粘合剂。
将背衬元件424插入开槽部分412中，接触箔条422的顶部。然后将盖404拧到主体402上，直到获得特定的扭矩，从而从各层之间挤压环氧树脂，并随着环氧树脂凝固而提供期望压力。可以设想，残余环氧树脂可以足够薄，因而对声传输特性或电接触的影响可以忽略。在组装过程中，还施加环氧树脂的嵌条以覆盖电子部件502和压电保持器414的邻近壳体的部分，从而密封和封装换能器部件。
图6示出根据以上描述构造的示例性超声换能器400的频率响应600。超声换能器600具有约3.75MHz的中心频率602、约2.5MHz的－6dB频率下限604和约4.9MHz的－6dB频率上限606。这提供了约2.4MHz的－6dB带宽，其可以表示为大约64％的－6dB百分比带宽。为了完整起见，应当理解的是，在不同批次的换能器之间，以及换能器设计的各个示例之间，可以预期被测带宽的变化。
所有参考文献，包括本说明书中引用的任何专利或专利申请，通过引用并入于此。没有承认任何参考文献构成现有技术。参考文献的讨论陈述了其作者所声称的内容，并且申请人保留质疑所引用文献的准确性和相关性的权利。在本说明书中对任何现有出版物的引用不是并且不应当被认为是承认或以任何形式暗示现有技术形成世界上任何国家所努力领域中的公知常识的一部分。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应理解为包含性意义，而非排他性或穷举性意义，也就是说，是“包括但不限于”的意思。上文和下文引用的所有申请、专利和出版物的全部公开内容(如果有的话)均以引用方式并入本文。
本公开还可以被广义地描述为包括在本申请的说明书中单独地或共同地提及或指示的部分、元件和特征，以及两个或更多个所述部分、元件或特征的任何或所有组合。
在前面的描述已经参考整体或具有其已知等同物的部件的情况下，这些整体如同单独阐述一样并入本文。
应当注意的是，对本文描述的当前优选实施例的各种修改和变型对于本领域技术人员来说是明显的。在不脱离本公开的精神和范围并且不减少其附带优点的情况下，可以进行此类修改和变型。因此，这些修改和变型均包含在本公开中。
已经仅通过示例描述了本公开的各方面，并且应当理解的是，在不脱离其范围的情况下，可以对其进行修改和添加。

Claims (46)

1.一种超声换能器，包括:
压电元件，其中，所述压电元件的声阻抗在15至22MRayl之间；
流体介质接触层，其中，所述流体介质接触层是聚合物层；
位于所述压电元件和所述流体介质接触层之间的匹配层，其中，所述匹配层的声阻抗在4至10MRayl之间；以及
背衬层，其中，所述背衬层的声阻抗在15至20MRayl之间。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述压电元件是偏铌酸铅压电元件。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的超声换能器，其中，所述聚合物层由聚砜形成。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的超声换能器，其中，所述流体介质接触层的厚度被配置为将来自所述流体介质接触层和与所述流体介质接触层接触的流体之间的界面的声信号的反射延迟所述声信号的预定数量波长或部分波长。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其中，所述流体介质接触层的厚度大于所述声信号的两个波长。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的超声换能器，其中，所述匹配层是烃陶瓷层压板层。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的超声换能器，其中，所述匹配层的声阻抗在5至8MRayl之间。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的超声换能器，其中，所述匹配层的厚度被配置为提供与所述声信号匹配的四分之一波长。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其中，所述匹配层的厚度是所述超声换能器的中心频率处的声信号的0.2至0.3个波长。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的超声换能器，其中，所述匹配层是电路板层。
11.根据权利要求10所述的超声换能器，其中，所述电路板层提供与所述压电元件的电连接。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的超声换能器，其中，所述背衬层的声阻抗基本上与所述压电元件的声阻抗相同。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的超声换能器，其中，所述背衬层是钨复合材料层。
14.根据权利要求13所述的超声换能器，其中，所述钨复合材料层的钨复合材料包括第一尺寸的第一钨颗粒和第二尺寸的第二钨颗粒。
15.根据权利要求14所述的超声换能器，其中，所述第一钨颗粒是粒状钨粉，并且所述第二钨颗粒是细钨粉。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的超声换能器，其中，所述钨复合材料中的粒状钨粉与细钨粉之比为约56:7。
17.根据权利要求14至16中任意一项所述的超声换能器，其中，所述背衬层包括第一钨颗粒和第二钨颗粒的密度分级。
18.根据权利要求1至17中任意一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有1至10MHz之间的中心频率。
19.根据权利要求16或18所述的超声换能器，其中，所述中心频率在3至5MHz之间。
20.根据权利要求19所述的超声换能器，其中，所述中心频率在3.5至4MHz之间。
21.根据权利要求20所述的超声换能器，其中，所述中心频率为约3.75MHz。
22.根据权利要求1至21中任意一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有大于60％的－6dB百分比带宽。
23.根据权利要求22所述的超声换能器，其中，所述－6dB百分比带宽在60％至100％之间。
24.根据权利要求23所述的超声换能器，其中，所述－6dB带宽在2至3MHz之间。
25.根据权利要求1至24中任意一项所述的超声换能器，包括具有主体的壳体，其中，所述主体的一部分提供所述流体介质接触层。
26.根据权利要求25所述的超声换能器，其中，所述主体包括突起部，所述超声换能器的声路穿过所述突起部。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的超声换能器，包括压电组件，所述压电组件包括所述压电元件和所述匹配层。
28.根据权利要求27所述的超声换能器，其中，所述压电组件包括具有孔的元件保持器，所述压电元件位于所述孔内。
29.根据权利要求28所述的超声换能器，其中，所述元件保持器由电路板材料制成。
30.根据权利要求28或权利要求29所述的超声换能器，其中，所述匹配层跨越所述元件保持器的所述孔。
31.根据权利要求30所述的超声换能器，其中，所述压电组件包括位于所述压电元件的与所述匹配层相对侧上的电触点。
32.根据权利要求27至31中任意一项所述的超声换能器，其中，所述主体包括开槽部分，所述开槽部分被配置为接纳所述压电组件，并且
其中，所述超声换能器还包括被配置为固定在所述主体上的盖，用于将所述压电组件在所述开槽部分中保持就位。
33.一种超声传感器设备，包括：
细长中空体，所述中空体被配置为接纳待分析流体；
如权利要求1至32中任意一项所述的第一超声换能器，设置在所述中空体的第一端；以及
如权利要求1至32中任意一项所述的第二超声换能器，设置在所述中空体的第二端并且面向所述第一超声换能器。
34.根据权利要求33所述的超声传感器设备，其中，所述中空体由金属制成。
35.根据权利要求33或权利要求34所述的超声传感器设备，其中，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器各自的流体介质接触层的长度小于整体路径长度的15％。
36.根据权利要求33至35中任意一项所述的超声传感器设备，其中，所述第一超声换能器和所述第二超声换能器各自的压电元件之间的路径长度大于约25mm。
37.根据权利要求36所述的超声传感器设备，其中，所述路径长度在25mm至100mm之间。
38.根据权利要求36或37所述的超声传感器设备，其中，所述路径长度为约70mm。
39.一种超声传感器设备，包括：
中空体，所述中空体具有声学反射表面并且被配置为接纳待分析流体，以及
如权利要求1至32中任意一项所述的第一超声换能器，其中，所述第一超声换能器面向所述声学反射表面。
40.根据权利要求39所述的超声传感器设备，其中，所述中空体由金属制成。
41.根据权利要求39或权利要求40所述的超声传感器设备，其中，所述第一超声换能器的压电元件与所述声学反射表面之间的总返回路径长度大于约25mm。
42.根据权利要求41所述的超声传感器设备，其中，所述总返回路径长度在25mm至100mm之间。
43.根据权利要求41或权利要求42所述的超声传感器设备，其中，所述总返回路径长度为约70mm。
44.一种流体分析系统，包括：
如权利要求33至43中任意一项所述的超声传感器设备；
样本递送设备，所述样本递送设备被配置为将流体样本从流体运送和/或存储系统递送至所述超声传感器设备；以及
至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为至少部分地基于从所述超声传感器设备输出的信号来确定所述流体样本的特性。
45.根据权利要求44所述的系统，其中，所述流体是液体或包含液体的溶液。
46.根据权利要求44或权利要求45所述的系统，其中，所述流体是乳汁。
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