测量振动物体的振动频率时用于提高响应的设备的制作方法

文档序号:6145375阅读:180来源:国知局
专利名称:测量振动物体的振动频率时用于提高响应的设备的制作方法
技术领域
本发明涉及通过微波系统从远处监控的机械振动弦或杆的领域。
背景技术
在早期的雷达中,发现铝薄片具有高的雷达反射率。这种特性在第二次世界大战 期间被使用且被称为“金属碎箔(Chaff)”。飞机散布例如小的、薄的铝片云,铝片云或在雷 达屏幕上作为一群次要目标出现,或以多次返回干扰屏幕。现代武装部队例如在海军应用 中使用金属碎箔,使用近程SRBOC火箭来使雷达导弹从其目标转移。大部分军用飞机和军 舰具有用于自我防卫的金属碎箔分配系统。金属碎箔的长度应近似地为雷达的波长的一 半。本发明的发明者发现,金属弦对微波辐射例如雷达信号强加振幅调制,所述金属 弦被促使以它的基频振动。因此,WO 01/73389公开了一种被促使振动的金属弦。振动频 率取决于弦的长度、密度和张力。振动频率也被温度影响。微波发射机将电磁微波信号引 导到弦,以及微波接收机接收来自弦的反射。所接收的信号被振动弦的频率振幅调制。因 此,例如可从远处测量温度。通过将弦与压力膜连接,使得压力影响弦的张力,且因此影响 振动频率,可从远处监测压力。也可间接地测量力和力矩。US 6492933公开了一种微波传感器,所述微波传感器在无数的振动、运动和移动 应用中使用单边带多普勒技术。当与主动反射器结合时,即使在杂乱的环境中传感器也提 供精确的范围和材料厚度测量。主动反射器也可用来将多通道数据发送到传感器。传感器 是一种具有定相型多普勒边带解调的零差脉冲多普勒雷达,定相类型多普勒边带解调具有 四十基带频段。当被主动反射器相位调制时,通过比较多普勒边带的相位而完成测距。主 动反射器使用与天线或其它反射器连接的开关或调制器。在一种模式中,主动反射器被正 交调制,以提供SSB反射。对低成本系统的应用包括机械运动/旋转传感器、可靠的安全警 报器、喉式传声器、立体声吉他拾音器、方向敏感的心脏监控器、电子测探尺、材料厚度/电 介质传感器、金属平滑度测量计、非接触电子读出器、RFID标签、无声“通话”玩具、被动发射 器数据链路、光束断续器和块金探测器。这些先前已知的设备在许多应用中运行良好。但是,在苛刻的环境中和在长距离 处,所接收的信号很弱并被来自其他物体的反射干扰。因此,可能很难从噪声基底辨别信号。在本领域需要用于感测具有提高的信噪比的振动物体的微波设备。发明概述因此,本发明的目的是单独地或以任何组合减轻、缓和或消除一个或多个上面识 别的不足和缺点。在一个方面,提供了一种用于测量机械振动物体的振动频率的设备,所述机械振 动物体例如弦或杆由导电材料制成,设备包括用于将微波引导到所述振动物体的微波发 射机和用于接收由所述振动频率进行振幅调制的所述微波的微波接收机,其特征在于,由 导电材料制成的构件相邻于所述振动弦的振动最大点布置,以便增强所述振幅调制;所述
4构件被布置在小于微波的波长约3%,例如小于约1%,如小于0. 3%的距离处。在一个实施方案中,所述距离可大于所述物体的振动的振幅,例如等于或大于所 述振幅的约两倍。在另一实施方案中,所述构件可具有平行于振动物体的长度,所述长度小于振动 物体的长度的约50%,例如小于约33%,如小于约20%。所述构件可具有垂直于振动物体 的宽度,所述宽度小于振动物体的长度的约50%,例如小于约33%,如小于约20%。所述 构件可以是螺钉、或围绕振动物体的环。所述振动物体可以是弦或杆。所述微波发射机可 以是连续发射机。所述微波发射机可工作在约0. IGHz和约50GHz之间,例如在0. 5GHz和 30GHz之间,如在约1. OGHz和IOGHz之间的频率上。所述振动物体可具有小于微波的波长, 例如小于波长的一半,如为波长的约47. 5%或24%的长度。所述构件可布置在支架中,所 述构件包括用于调整所述构件和所述振动物体之间的距离的设备。所述构件可布置在振动 物体的一侧上,以及所述微波发射机布置在振动物体的另一侧上。所述构件可在所有侧围 绕所述振动物体。所述振动物体可以是在一侧被支撑而在另一侧未固定的拉紧的弦或梁。 所述振动物体可由具有良好的导电性的金属材料,例如铜、银、钢或金属混合物制成。所述 构件可由具有良好的导电性的金属材料例如铜、银、钢或金属混合物制成。所述振动物体可 选地可由具有导电材料的表面层的介质材料制成,或完全由介质材料制成。在又一实施方案中,两个振动物体可布置成在旋转轴处相对于彼此成一角度。在另一个方面,上述设备可用于测量温度、压力、力矩、力或特性。附图的简要说明参考附图,从本发明的实施方案的下面的详细描述中,本发明的另外的目的、特征 和优势将变得明显,其中

图1是用于解释本发明的原理的振动弦的一个实施方案的示意图。图2是与图1相似的图,但相对于图1在水平面上旋转了 90°。图3是暴露给微波的振动弦的另一个实施方案的示意图。图4是与图3相似的另一实施方案的示意图。图5是与图3相似的又一实施方案的示意图。图6是可选的振动元件的示意图。图7是与图3相似的又一实施方案的示意图。图8是具有矩形横截面的振动元件的示意图。实施方案的详述下面,将参考附图描述本发明的几个实施方案。这些实施方案以示例性的目的被 描述,以便使技术人员能够实施本发明并公开最佳模式。但是,这样的实施方案并不限制本 发明。此外,不同特征的其它组合在本发明范围内是可能的。在本发明的实施方案中,由导电材料组成的振动弦暴露于来自微波发射机的微波 辐射的连续场。弦被布置成独立于待测量的特性而改变其基本振动频率。如果将要测量温度,则 弦的张力取决于温度。在另一个应用中,将弦的一端连接到暴露于压力的膜上,且弦的张力 取决于压力。这种压力可以是汽车轮胎的内压。在另一应用中,将弦连接到轴上,以测量轴 中的力矩。在又一实施例中,弦暴露于力,该力应被测量并改变弦的振动频率。其它的应用是可能的,例如物体的识别。接收天线从一距离处的振动弦接收到反射的、散射的或重发的微波信号。所接收 的信号被与弦的振动频率相等的频率振幅调制。用于振幅调制的准确的理论并不被完全理解。在不被任何理论限制的情况下,假 设振幅调制是由于弦在空间中移动时弦的变化的反射率或增益,与布置成接近于地平面的 天线的方向性相似,如下面所解释的。弦可被视为暴露于来自发射机的微波能量的天线。微波在天线/弦中引起电流。 如果天线具有实质上相当于辐射的波长的一半的长度,电流将更大,因此天线将作为半波 偶极天线运行。如果微波的偏振面平行于天线,也就是说,如果微波的电矢量平行于天线, 电流将更大。在天线中引起的电流将部分地通过天线在各个方向重发到空间中,该天线作 为偶极天线运行。图1示出布置成与平行于这样的地平面的地平面2相邻的天线1。天线垂直于纸 面延伸并被示为圆。天线在所有方向上接收微波能量和重发微波能量,如由微波射线3示 意性指示的。另一个微波射线4被发射到地平面,并被地平面反射为微波射线5。在反射 时,发生了符号的反转。因此,微波射线5看起来好像由位于地平面之下距离d处并具有相 对于天线1相反的符号的虚拟天线1’发射。来自天线1和1’的微波射线3和5将干扰,且并产生偶极辐射模式,该模式展示 了增益,该增益是G = 2*sin ((Ji λ ) *cos θ ))其中θ =与地平面法线的角度d =在天线和地平面之间的距离G =天线在角度θ时的增益因此,如果天线和地平面之间的距离d比微波辐射的波长λ小得多,垂直于地平 面的增益(cos θ = 1)近似为G = 2* π *d/ λ当天线/弦振动时,距离d将随着弦的振动而变化,且增益G也将变化。假设弦以 振幅A振动,那么在弦的最低位置处的增益将是G_a = (d-A) *2 π / λ且在弦的最高位置处的增益将是G+a = (d+A) *2 π / λ这些增益之间的比率-相对增益Gk将导致组合的微波射线3和5的振幅调制。Ge = G+a/G_a = (d+A)/(d-A) = l+2A/(d_A)因此,天线和地平面之间的距离d越小,相对增SGk就将越大。但是,天线的增益 也与距离d成反比,导致天线的增益随着距离的减小而减小。因此,天线的标准化增益6,成 为Gn = Ge/G = ( λ /2 π ) * (1/d) * (1+2A/ (d-A))可以证明,标准化增益61<在(1 = 2A时具有最大值。因此,当在最接近于地平面的 位置上的振动弦和地平面之间的距离等于振幅A且在离地平面最远的位置上的振动弦和地平面之间的距离d等于振幅A的三倍时,振幅调制将最大,见图2。如果振动弦的总振幅 2A是0. 1mm,在静止的弦与地平面之间的距离应是0. Imm0这也将保证弦在振动的过程中从 不接触地平面。最大的振幅变化发生在垂直于地平面的方向上。因此,微波发射机和接收机应布 置在这个方向(Θ =0)上。如可从图2中看到的一样,只有弦的一部分以相当大的振幅振动。上面的理论假 设,弦的整个长度以相同的振幅相对于地平面前后移动。但是,主要是弦的中间部分,其振 动并引起增益的变化和振幅的变化。因此,地平面可只布置在弦的一部分上,例如在弦的中 间一半上,或甚至在弦的方向上具有更少的延伸。地平面也可在弦的每侧处只延伸一部分, 进一步见下面。这种布置将保证重发的微波能量的信号强度将不被地平面衰减。图3示出包括振动弦11的实施方案,该振动弦11连接在两个支点12、13之间。弦 是与吉他弦相似的金属弦。弦在支点12、13之间以本质上已知的任何方式被拉紧。弦可以 在基频和它的谐波处振动,这本质上由弦的长度、重量和张力确定。微波发射机14以连续模式将微波15发射到弦。弦散射或重发微波16,微波16由 接收机17接收到。发射机14和接收机17可组合在单个收发机中。可例如以不同的偏振 面单独地或在组合地使用几个发射机和几个接收机。如图3所示,将金属构件18布置成与弦具有其最大振幅的地方相邻,例如与弦的 中部相邻。已发现,与没有构件存在时的情况相比,这样的构件18接近于弦的中部的布置 导致了所接收的微波信号的振幅调制的相当大的增加或增大。在不被理论限制的情况下, 可能振幅调制的这样的增大是由于金属构件18充当部分地平面且振动弦的增益将随着到 地平面的距离的变化而变化,如上面所解释的一样。在接收机上已获得高达5倍的增益。金属构件18应布置成接近于弦,但使得弦可自由振动而不与构件18接触。构件18可由导电金属例如铜或铁制成,进一步见下面。如图4所示,发射机和接收机可布置为一个微波收发机27。构件可体现为螺钉21,螺钉21具有用于在固定的支架22中移动的螺纹23。通过 旋转螺钉21,可调整到弦的距离。如果弦具有强的张力,振动的振幅将很小且螺钉21可被 拧成较接近于弦,反之亦然。可使精确的距离适合于使弦处于振动的环境的特定设置和振 动。可选地,螺钉21可以是固定的,且支架22相对于弦可以是可移动的。如图3和4所示,将构件18、21、22布置在从微波收发器14、17、27面对的一侧。因 此,构件可不干扰微波且不阻止它们到达弦以从其被散射和/或反射和/或重发。可选地,构件可体现为环38或在所有侧围绕弦的块(block),如图5所示。因为弦 在所有方向上正常振动,为了尽可能多地影响弦,这种布置将是有利的。理论上,振幅调制 应通过作为弦的基频的双频进行,因为来自中间剩余位置的在任何方向上的移动将导致改 变的增益。但是,因为弦在所有方向上振动,通过弦的基频的相当大的振幅调制将被获得。在上面的实施方案中,显示了振动弦。但是,弦可由如图6所示的振动梁41替换。 梁41例如通过插入到其中的孔中并熔接或焊接或夹紧在其中来刚硬地连接到支撑块42 上。将构件48布置成尽可能接近于梁具有它的最大振动或波动的位置。梁的振动频率被 温度影响,且这种实施方案将适合于温度测量。
弦或梁可以通过任何方式被激发到振动状态。经常将弦或梁布置在振动能量丰富 的环境中,其中弦/梁可接收到来自周围环境的振动能量。可选地或另外地,激励单元43 可布置在被提供给交流电压的支撑块42例如压电晶体处该压电晶体。图7显示,弦在其端部被套筒52、53支撑。每个套筒包括盲孔54,其中布置了限 制物(restriction) 55。弦被推动到限制物55之外,这保持弦在适当的位置。弦可包括增 补物(enlargement) 56,增补物56在通过限制物55后阻止弦退出孔。可选地或另外地,弦 可通过胶合、熔接、焊接或任何类似的方法连接到限制物上。弦可在初始敞开状态下通过而 在限制物之外,于是套筒被压缩,使得限制物55通过摩擦力或通过使弦的材料变形而抓紧 弦。限制物和套筒可由导电材料制成。可选地,限制物可由绝缘材料或介质材料制成, 使得弦与周围的支撑结构电绝缘。整个套筒也可由介质材料制成。套筒又由没有显示的框架支撑,使得弦保持拉紧。可调整套筒的轴向位置,使得弦 获得预期的张力和振动频率。另一个调整张力的方法是提供具有如图7中58所示的内螺 纹的盲孔54的内表面。通过相对于限制物55旋转整个套筒,可调整限制物的轴向位置。在不被任何理论限制的情况下,可能弦形成偶极天线的一部分,该偶极天线布置 成接近于由构件18体现的地平面。当弦振动时,到地平面的距离改变。目前,操作的确切机制是未知的。不知道所观察到的效应是否是由于振幅调制或 相位调制或两者,或是否另外的机制被涉及。已发现,如果弦和构件18、21、22、38、48、58、68等之间的距离小于波长的约3%, 或小于波长的1%,例如小于波长的0.3%,振幅调制增加。该距离被计算为从静止的没有 振动的弦到元件18等的距离。但是,该距离应大于弦振动的振幅。在一个实施方案中,使用2. 45GHz的频率处的微波,微波的波长为122mm。弦长度 应为约58mm。振动的振幅被估计为小于约0. 05mm,导致该距离应为约0. 1mm。该距离应小 于 3. 7mm (3% ),例如小于 1.2mm(l% ),如小于 0. 37mm (0. 3% )。对于在24GHz的频率处的微波,波长为12. 5mm。弦长度应为5. 9mm。振动的振幅 被估计为小于约0. Olmm,导致该距离应为约0. 02mm。该距离应小于0. 38mm(3% ),例如小 于0. 13mm(l% )0因为将构件布置为尽可能接近0. 02mm将是困难的,可选择约0. Imm的距 离。但是,与前面段落中2.45GHz的频率的情况相比,振幅调制然后将更小。如果弦与周围环境绝缘,它可形成偶极天线。在这种情况下,天线可具有长度,该 长度与微波的波长相关,使得高频电共振被获得。例如,如果微波频率是2. 45GHz,弦长度可 以是相应于波长的一半的95%的58mm。构件18等可具有在平行于弦的方向上的延伸部分,该延伸部分小于弦的长度的 一半,例如小于弦长度的三分之一或四分之一或五分之一。以这种方式,构件18将布置在 对振幅调制的影响最大的位置。构件18等可具有在垂直于弦的方向上的延伸部分,该延伸部分小于弦的长度的 一半,例如小于弦长度的三分之一或四分之一或五分之一。以这种方式,构件18将布置在 对振幅调制的影响最大的位置。构件可对称地布置成围绕弦的中部。构件可由导电材料例如铁、钢、铜、银等制成。0077]如果弦与周围环境绝缘,例如通过布置绝缘材料的限制物55和由导电材料制成 的套筒,弦的端部将布置成接近于地,这也可影响微波的反射或散射或重发。弦11等可具有与正常吉他弦一样的圆形横截面区域。但是,在另一实施方案中, 弦可具有矩形横截面区域,使得弦以弦的特点基本上仅在平行于矩形中的最小侧面的方向 上振动,并在其垂直面中主要以梁方法在另一个频率处振荡。这种实施方案在图8中示出, 其中弦61具有矩形横截面区域。弦的端部通过熔接或焊接或夹紧来连接到金属支撑块62、 63。金属块构件68布置成接近于相对于微波收发机在相对侧上的弦61的中部。弦可由具有良好的导电性的任何金属材料例如铜、银、钢或金属混合物制成。可选地,弦可由具有导电材料的表面层的介质材料或完全由介质材料制成。其它 的材料例如非晶形材料也可使用。弦11可用于测量周围温度的环境,因为弦的振动频率取决于与导电性相关的温 度或具有温度的弹性模块E。因此,可从远处测量温度。如果弦11连接到被施加了压力的压力膜上,该压力将影响频率并可在一距离处 被测量。两根弦可布置在旋转轴上的不同方向上,以便测量轴所传输的力矩。弦可被布置 为彼此垂直的正常力矩传感器。轴中的力矩然后将增大在一根弦上的张力并降低在另一根 弦上的张力。因此,弦的频率之间的差异与力矩有关。微波应被定向成基本上垂直于弦以获得微波的最大调制。而且,微波应具有偏振, 使得微波的电分量实质上平行于弦的方向。微波的频率应在约0. IGHz和约50GHz之间,例如在0. 5GHz和30GHz之间,如在约 1. OGHz和IOGHz之间。在一个实施方案中,使用了 2. 45GHz的微波。发射机和接收机应布置成接近于弦,例如小于约10m,例如小于约3m,例如离弦约 0. 5m或0. 2m。发射机和接收机可布置在实质上相同的距离处,虽然发射器或接收机可布置 在比对方更大的距离处。微波可以是连续发射的微波,且可提供给接收机常规设计的循环器,以便从所接 收的微波中分离所发射的微波。在另一个实施方案中,发射机和接收机可以是脉冲的或被 布置为多普勒雷达装置。当两根弦例如用在旋转轴上时,使用具有不同的方向和偏振以及也可能具有不同 的频率的两个或多个微波发射机可能是有利的。弦的振动可在长距离例如10米或更远处被检测到。但是,微波发射机可布置成接 近于弦。弦的长度可与微波波长相关,使得弦充当天线,例如半波偶极天线或四分之一波 天线。如常规的一样,天线的长度应为微波的波长的一半的约95%,以便考虑在弦中的波传 播的速度的差异,与自由空间中的相同的波相反。但是,当弦不是波长的四分之一的倍数例如比波长长得多时,实施方式也工作良 好。例如,具有钢弦的吉他的振动可通过使用微波发射机和接收机在离吉他的长距离 处被接收到。弦的长度可以是600mm或更长且微波的波长可以是122mm。振动可以在长达 10米的距离处被接收到。因此,本发明的这个实施方案可例如在音乐会期间代替吉他上的
9用于电子放大的传统磁拾音器。虽然在上面参考特定的实施方案对本发明进行了描述,它没有被规定为被限制到 本文提出的特定的形式。更确切地,本发明仅由附属的权利要求限制,且除了上面指定的以 外的其它实施方案在这些所附的权利要求的范围内同样地是可能的。在权利要求中,术语“包括(comprises) /包括(comprising) ”不排除其它元件或 步骤的存在。此外,虽然被单独地列出,多个装置、元件或方法步骤可通过例如单个单元或 处理器实现。另外地,虽然单独的特征可包含在不同的权利要求中,这些特征可被有利地组 合,且在不同权利要求中的包括并不暗示特征的组合不是可行的和/或有利的。此外,单数 的提及不排除多个。术语“一(a)”、“一(an)”、“第一”、“第二”等不排除多个。权利要求 中的参考符号仅作为清楚的实施例被提供,且应不被解释为以任何方式限制权利要求的范 围。
权利要求
一种用于测量机械振动物体的振动频率的设备,所述机械振动物体例如弦(11)或杆(41)由导电材料制成,所述设备包括用于将微波引导到所述振动物体的微波发射机(14)和用于接收由所述振动频率进行振幅调制的所述微波的微波接收机(17),其特征在于,由导电材料制成的构件(18)相邻于所述振动弦的振动最大点布置,以便增强所述振幅调制;所述构件(18)被布置在小于所述微波的波长约3%,例如小于约1%,如小于0.3%的距离处。
2.如权利要求2所述的设备,其中所述距离(d)大于所述物体的振动的振幅(A),例如 等于或大于所述振幅的约两倍。
3.如权利要求1或2所述的设备,其中所述构件具有平行于所述振动物体的长度,所 述构件的所述长度小于所述振动物体的所述长度的约50%,例如小于约33%,如小于约 20%。
4.如上述权利要求中任一项所述的设备,其中所述构件具有垂直于所述振动物体的宽 度,所述构件的所述宽度小于所述振动物体的所述长度的约50%,例如小于约33%,如小 于约20%。
5.如上述权利要求中任一项所述的设备,其中所述构件是螺钉(21)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设备,其中所述构件是围绕所述振动物体的环 (38)。
7.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述振动物体是弦(11)或杆(41)。
8.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述微波发射机是连续发射机。
9.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述微波发射机工作在约0.IGHz和 约50GHz之间,例如在0. 5GHz和30GHz之间,如在约1. OGHz和IOGHz之间的频率上。
10.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述振动物体具有小于所述微波的 波长,例如小于所述波长的一半,如为所述波长的约47. 5%或24%的长度。
11.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述构件(21、22)布置在支架(22) 中,所述构件包括用于调整所述构件和所述振动物体(11)之间的距离的设备(23)。
12.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述构件布置在所述振动物体的一 侧上,以及所述微波接收机布置在所述振动物体的另一侧上。
13.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述构件在所有侧围绕所述振动物体。
14.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述振动物体是在一侧被支撑而在 另一侧未固定的拉紧的弦或梁。
15.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述振动物体由具有良好的导电性 的金属材料例如铜、银、钢或金属混合物制成。
16.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述构件由具有良好的导电性的金 属材料例如铜、银、钢或金属混合物制成。
17.如上述权利要求中的任一项所述的设备,其中所述振动物体由具有导电材料的表面层的介质材料制成,或完全由介质材料制成。
18.如上述权利要求中的任一项所述的设备,包括布置成在旋转轴处相对于彼此成一 角度的两个振动物体。
19.使用上述权利要求中的任一项所述的设备,以测量温度、压力、力矩、力或特性。
全文摘要
一种用于测量机械振动弦(11)或杆(41)的振动频率的设备包括用于将微波引导到振动弦的微波发射机(14)和用于接收被机械振动频率振幅调制的微波的微波接收机(17)。构件(18)布置成接近于振动弦的振动最大点。所述构件布置在振动物体的一侧上,以及所述微波接收机布置在其另一侧上。所述设备用于测量温度、压力、力矩、力或特性。
文档编号G01H9/00GK101952695SQ200880126593
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年2月13日
发明者卡尔·泰伦 申请人:索德罗公司
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