声学传感器的制造方法

声学传感器的制造方法
【专利摘要】一种声学传感器，包括侧壁、发射器和接收器，所述侧壁在每个端部处由端壁封闭以形成大致圆柱形腔、所述发射器和接收器与相应的第一端壁和第二端壁操作性地关联。腔的相关尺寸的特性被构造为产生端壁的期望的振荡运动以及腔中流体的振荡，从而经由接收器产生待从传感器输出的电信号。一组声学传感器可被连接以允许对该组传感器中的一个传感器进行校准。
【专利说明】声学传感器

【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种共振声学传感器，特别地，涉及一种具有大致盘形声腔的声学传 感器，该大致盘形声腔具有大致圆形端壁。

【背景技术】
[0002] 通过测量气体混合物中的声速而确定该混合物的成分的设备在现有技术中众所 周知。两种最流行的声学技术为飞行时间技术和共振腔技术。每种类型的设备的缺点和局 限性已经在现有技术（EP0813060)中被描述并将在此被再次概括。
[0003] 飞行时间技术（例如，US5, 060, 506和US5, 627, 323)使用一对换能器发送和接 收短（通常为微妙量级）的声能脉冲。通过测量这些脉冲通过测试流体行进已知距离的 时间而确定声速。在上面提及的设备中，二元气体混合物的成分由这种测量而确定。这种 设备的典型的问题包括信号衰减、回声、尺寸稳定性、差的温度补偿、寄生传导（parasitic conduction)以及差的脉冲成形和脉冲波形失真。这些问题限制飞行时间设备的性能和长 期稳定性。
[0004] 共振腔设备（例如，US3, 848, 457, EP0813060和US6, 378, 372)测量声腔的共振频 率。当声腔被填充流体时，腔的共振频率与流体的成分直接关联。在现有技术中描述的该 设备的主要局限性在于难以有效地激发腔中的单一主要共振模式。在传感器内可能存在许 多竞争的共振模式，包括：径向、轴向、纵向以及方位角模式。这使得对传感器的输出的解释 变得复杂。发射换能器（发射器）的典型的纵向运动与腔的共振模式之间差的耦合以及腔 的共振模式与接收换能器（接收器）之间差的耦合产生差的信号。接收器中诸如从发射器 通过设备的结构传递到接收器的寄生信号之类的电噪声的源或者诸如隔膜的部件的机械 共振可能为与信号本身可比较的量级。
[0005] 基于亥姆霍兹振荡器的设备也有上述共振传感器的缺点，例如，在应用物理快报 第82卷第25期第4590页中公开的现有技术。在这种设备中，在腔的孔的颈部中的空气振 动，从而在该腔中引起抵抗颈部中的空气运动的压力振荡，导致简谐运动。在上述出版物中 描述的实施例中，由腔中流体的密度以及声速的改变而引起的声强度的改变被用于测量氢 气和空气的混合物的成分。这种设计具有另外的缺点：共振腔中的单个孔防止流体流穿过 传感器腔，这对于快速响应时间以及易于集成至流体系统中是期望的。
[0006] 考虑到飞行时间以及现有的共振腔声速传感器的缺点，需要能够有效地产生明显 比竞争的共振模式以及寄生振荡大的共振的声速传感器。在腔的共振频率处有效产生大振 幅的径向模式压力振荡克服现有技术的许多局限。
[0007] 共振声驻波的有效产生已经在流体泵领域被解决。专利申请W02006/111775、 W02009/112866、W02010/139916和W02010/139918公开了具有高纵横比（S卩，腔的半径与 腔的高度的比率）的大致盘形腔的泵，其在操作时在这些腔中产生共振声驻波。
[0008] 在W02006/111775的图1中公开的泵具有包括侧壁14的大致圆柱形腔11，侧壁 14在每个端部均由端壁12、13封闭。泵还包括驱动一个或两个端壁沿大致垂直于端壁的平 面的表面的方向振荡（在下文中称为"轴向振荡"）的致动器20。在这种几何形状中，致动 器20的机械刚度与腔的声阻抗良好匹配，使得有效产生高振幅的压力振荡。
[0009] 在这种腔中压力振荡的有效产生进一步取决于腔中流体振荡的空间轮廓与所驱 动的端壁的运动的匹配。当空间轮廓被良好匹配时，由致动器对腔中流体所做的功建设性 地增加，由此增加腔中压力振荡的振幅并实现改进的泵送效率，在此也称为振形匹配。相 反，在空间轮廓被较差匹配的泵中，由端壁的一些区域对流体所做的功减小而不是增加腔 内流体中流体压力振荡的振幅。因此，由致动器对流体所做的有用功减少，泵变得低效。 [0010] 上述原理在此被应用于共振声学传感器的设计中，其中发射器（其被驱动）和接 收器（其为被动的）与盘形腔的相对端壁操作性地关联。由于这种几何形状，在操作时，这 种设备的发射器和接收器的机械刚度很好地匹配腔中盘形流体空间（volume)的声阻抗。 盘形几何形状同样适于实现发射器和接收器的位移轮廓与腔中的径向流体压力振荡之间 良好的空间匹配。这些特性的组合能够实现通过发射器的高振幅压力振荡的有效产生和从 接收器的输出信号的有效产生，从而克服现有技术的一些局限。


【发明内容】

[0011] 在本发明中，一种共振声学传感器被设计为具有大致盘形声腔，该大致盘形声腔 具有大致圆形端壁。换能器（在此被称为发射器）与一个端壁操作性地关联以引起关联的 端壁的振荡运动，由此在使用时端壁的这些轴向振荡驱动腔中的流体压力的径向振荡。腔 中的径向压力振荡引起与第二换能器（在此被称为接收器）操作性关联的第二端壁的轴向 运动，进而产生振荡电信号。通过比较用于驱动发射器的信号与由接收器产生的信号，能够 确定声腔中流体的特性。
[0012] 根据本发明，提供一种声学传感器，包括：
[0013] 侧壁，在每个端部由端壁封闭以形成大致圆柱形腔，该大致圆柱形腔在使用时包 含流体；
[0014] 发射器，与端壁中的第一端壁操作性地关联；
[0015] 接收器，与端壁中的第二端壁操作性地关联；
[0016] 其中腔的半径a和腔的高度h满足以下不等式：
[0017] a/h 大于 1.2;并且
[0018] 其中，在使用时，发射器引起第一端壁沿大致垂直于端壁的平面的方向的振荡运 动；
[0019] 从而端壁的轴向振荡驱动腔中的流体压力的大致径向振荡；并且
[0020] 流体压力的大致径向振荡驱动与接收器关联的端壁的振荡运动，由此产生电信 号。
[0021] 为了避免由于流体粘度引起的过阻尼，比率h2/a可大于4X10^11。在腔中的流体 为气体的情况下，比率h 2/a可大于IX l(Tm。在操作时或在使用时，腔中实现的径向压力振 荡的最低共振频率可大于20kHz，使得人类听不见该设备。
[0022] 在使用时，第一端壁的轴向振荡可在腔中驱动高阶径向模式的压力振荡。
[0023] 端壁运动可与腔中的压力振荡振形匹配，并且另外或可替代地近似于贝塞尔函数 的形式。发射器或接收器可为压电设备，并可由诸如例如电致伸缩或磁致伸缩材料的任何 电活性物质或电磁活性材料制成。发射器或接收器可包括柔性膜。
[0024] 用于检测腔中的流体压力的共振振荡的机构可包括用于测量相对于用于驱动发 射器的电信号的振幅的来自接收器的电信号的振幅的机构。用于检测腔中的流体压力的共 振振荡振的机构可包括用于测量相对于用于驱动发射器的电信号的来自接收器的电信号 的相位的机构。
[0025] 声学传感器可被布置为使得发射器或接收器的共振与腔的共振不会显著重叠。优 选地，腔的共振频率与发射器和传感器的共振频率有以下表达式描述：
[0026] (f腔+f腔/Q腔）〈（f换能器换能器/Q换能器）[方程式1]
[0027] 其中fK为腔的共振频率，QK为该共振的品质因数，^为发射器或接收器的共 振频率并且为该共振的品质因数。本发明可进一步提供两个或更多个声学传感器，其 中至少两个传感器腔由共同的端壁分离。一个或更多个传感器可被布置为允许对一个或更 多个其它传感器进行包括温度、流体压力、热膨胀或机械漂移的因素的校准。至少一个传感 器可被装入壳体中。壳体的流体入口可被集合（manifold)到传感器的流体入口，并且传感 器的流体出口将流体输出到传感器与壳体之间的空间中。
[0028] 传感器或传感器组可进一步包括与腔的侧壁和或端壁操作性地关联的温度传感 器。传感器或传感器组可进一步包括通过传感器的端侧壁或一个或更多个端壁的材料的导 管，其中，在使用时，流体通过该导管流入腔中。加热器可与腔的侧壁和或端壁操作性地关 联。侦幢或一个或更多个端壁可由具有大于SOWnTV 1的导热率的材料制成。

【专利附图】

【附图说明】
[0029] 图1不出声学传感器的一实施例的不意性截面、传感器的第一端壁的位移轮廓、 传感器的腔内的压力振荡图以及传感器的第二端壁的位移轮廓。
[0030] 图2示出声学传感器的一实施例的腔共振附近的发射器与接收器之间的典型的 相位差和增益。
[0031] 图3不出声学传感器的数个实施例的腔的入口和出口的布置。
[0032] 图4示出声学传感器的实施例，其中共振腔的一个或更多个端壁部分地由柔性膜 组成。
[0033] 图5不出具有两个共振声腔（一个测试腔和一个参考腔）的声学传感器的实施 例。
[0034] 图6示出被装入壳体内使得发射器和接收器各处压力差降低的声学传感器的实 施例。
[0035] 图7示出具有集成的温度计并具有通过传感器的流体路径的声学传感器的实施 例，流体路径被设计为减小流体与声学传感器之间的温度差。

【具体实施方式】
[0036] 在下面数个例示性实施例的详细描述中，参照形成其一部分的附图，在附图中通 过例示的方式示出特定的优选实施例，本发明可在该特定的优选实施例中被实施。这些实 施例被描述得足够详细，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解可以利用其 它实施例并且在不背离本发明的精神或范围的情况下可以作出逻辑结构、机械、电学和化 学上的变化。为了避免对于本领域技术人员实施在此描述的实施例而言为不必要的细节， 描述可省略对于本领域技术人员已知的某些信息。因此，下面的详细描述不是采用限制的 意义，并且例示的实施例的范围仅由所附权利要求限定。
[0037] 图1示出根据本发明的声学传感器1的示意性图示。腔2由端壁3和4以及侧壁 5限定。腔2的横截面如所示为大致圆形，但是可使用其它合适的形状，诸如椭圆形。由于 具有在W02006/111775中公开的泵，本发明可描述为具备大致盘形腔。在本发明中，圆柱形 腔被认为提供最佳性能。然而，具有非圆形横截面的腔在某种程度上也可以是有效的。这 样，就本发明而言，在此限定的大致圆柱形腔可包括具有非圆形横截面和/或非平行壁的 腔，以及具有截头圆锥形端壁的腔，或者具有在两个端壁之间变化的横截面的腔。虽然表达 为圆柱形形式，但是在此描述的特性和比率在使用具有变化的和/或非圆形横截面的腔时 可应用于腔的平均或最大高度或半径。在操作时，传感器产生径向声学压力振荡。特别地， 当腔半径a大于1. 2倍的腔高度时，即a/h>l. 2,腔中流体的振荡的最低频率径向振荡模式 具有比腔的任何纵向模式更低的频率。在操作时，优选最低频率径向模式处于20kHz或更 高的频率，以使设备在操作时是听不见的。大约20kHz或更高的频率提供高于人类正常听 力极限的操作。
[0038] 为了避免由于腔中流体的高粘滞损失引起的低效率操作，腔的高度应该为流体中 的粘滞边界层的厚度的至少两倍：
[0039]

【权利要求】
1. 一种声学传感器，包括： 侧壁，在每个端部处由端壁封闭以形成大致圆柱形腔，该大致圆柱形腔在使用时包含 流体； 发射器，与所述端壁中的第一端壁操作性地关联； 接收器，与所述端壁中的第二端壁操作性地关联； 其中所述腔的半径a和所述腔的高度h满足以下不等式： a/h大于1. 2 ;并且 其中，在使用时，所述发射器引起所述第一端壁沿大致垂直于所述端壁的平面的方向 的振荡运动； 从而所述端壁的轴向振荡驱动所述腔中的流体压力的大致径向振荡；并且 流体压力的大致径向振荡驱动与所述接收器关联的所述端壁的振荡运动，由此产生电 信号。
2. 根据权利要求1所述的声学传感器，其中比率a/h大于2。
3. 根据权利要求1或2所述的声学传感器，其中h2/a大于4X Krlclm。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中所述腔中的流体为气体，并且 其中比率h2/a大于1 X l(T7m。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中，在使用时，所述腔中的径向压 力振荡的最低共振频率大于20kHz。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中，在使用时，所述第一端壁的轴 向振荡在所述腔中驱动高阶径向模式的压力振荡。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中，在使用时，所述端壁运动与所 述腔中的压力振荡振形匹配。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中，在使用时，端壁运动近似于贝 塞尔函数的形式。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中所述发射器为压电设备。
10. 根据权利要求9所述的声学传感器，其中所述发射器包括柔性膜。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中所述接收器为压电设备。
12. 根据权利要求11所述的声学传感器，其中所述接收器包括柔性膜。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中用于检测所述腔中的流体压 力的共振振荡的机构包括用于测量相对于用于驱动所述发射器的电信号的振幅的来自所 述接收器的电信号的振幅的机构。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，其中用于检测所述腔中的流体压 力的共振振荡的机构包括用于测量相对于用于驱动所述发射器的电信号的来自所述接收 器的电信号的相位的机构。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器，被布置为使得所述发射器和或所 述接收器的共振与所述腔的共振不会显著重叠。
16. -种传感器组，包括根据前述权利要求中任一项所述的两个或更多个声学传感器， 其中至少两个传感器腔由共同的端壁分离。
17. -种传感器组，包括根据前述权利要求中任一项所述的两个或更多个声学传感器， 其中一个或更多个所述传感器被布置为允许对一个或更多个其它传感器进行包括温度、流 体压力、热膨胀或机械漂移的因素的校准。
18. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器或传感器组，其中至少一个所述传 感器被装入壳体中。
19. 根据权利要求18所述的声学传感器或传感器组，其中所述壳体的流体入口被集合 到所述传感器的流体入口，并且所述传感器的流体出口将流体输出到所述传感器与所述壳 体之间的空间中。
20. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器或传感器组，进一步包括与所述腔 的所述侧壁和或端壁操作性地关联的温度传感器。
21. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器或传感器组，进一步包括通过所述 传感器的所述端侧壁或者一个或更多个所述端壁的材料的导管，其中，在使用时，流体通过 所述导管流入所述腔中。
22. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器或传感器组，进一步包括与所述腔 的所述侧壁和或端壁操作性地关联的加热器。
23. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器或传感器组，其中所述侧壁或一个 或更多个所述端壁由具有大于SOWnT1!^的导热率的材料制成。
24. 根据前述权利要求中任一项所述的声学传感器或传感器组，进一步包括与所述腔 的所述侧壁和或端壁操作性地关联的压力传感器。
【文档编号】G01N29/22GK104160270SQ201280060202
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】贾丝廷·罗克·巴克兰, 安德鲁·罗伯特·坎贝尔 申请人:技术合伙公司