聲學(xué)傳感器的制造方法
【專利摘要】一種聲學(xué)傳感器，包括側(cè)壁、發(fā)射器和接收器，所述側(cè)壁在每個(gè)端部處由端壁封閉以形成大致圓柱形腔、所述發(fā)射器和接收器與相應(yīng)的第一端壁和第二端壁操作性地關(guān)聯(lián)。腔的相關(guān)尺寸的特性被構(gòu)造為產(chǎn)生端壁的期望的振蕩運(yùn)動(dòng)以及腔中流體的振蕩，從而經(jīng)由接收器產(chǎn)生待從傳感器輸出的電信號(hào)。一組聲學(xué)傳感器可被連接以允許對(duì)該組傳感器中的一個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。
【專利說(shuō)明】聲學(xué)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)涉及一種共振聲學(xué)傳感器，特別地，涉及一種具有大致盤(pán)形聲腔的聲學(xué)傳 感器，該大致盤(pán)形聲腔具有大致圓形端壁。

【背景技術(shù)】
[0002] 通過(guò)測(cè)量氣體混合物中的聲速而確定該混合物的成分的設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)中眾所 周知。兩種最流行的聲學(xué)技術(shù)為飛行時(shí)間技術(shù)和共振腔技術(shù)。每種類型的設(shè)備的缺點(diǎn)和局 限性已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)（EP0813060)中被描述并將在此被再次概括。
[0003] 飛行時(shí)間技術(shù)（例如，US5, 060, 506和US5, 627, 323)使用一對(duì)換能器發(fā)送和接 收短（通常為微妙量級(jí)）的聲能脈沖。通過(guò)測(cè)量這些脈沖通過(guò)測(cè)試流體行進(jìn)已知距離的 時(shí)間而確定聲速。在上面提及的設(shè)備中，二元?dú)怏w混合物的成分由這種測(cè)量而確定。這種 設(shè)備的典型的問(wèn)題包括信號(hào)衰減、回聲、尺寸穩(wěn)定性、差的溫度補(bǔ)償、寄生傳導(dǎo)（parasitic conduction)以及差的脈沖成形和脈沖波形失真。這些問(wèn)題限制飛行時(shí)間設(shè)備的性能和長(zhǎng) 期穩(wěn)定性。
[0004] 共振腔設(shè)備（例如，US3, 848, 457, EP0813060和US6, 378, 372)測(cè)量聲腔的共振頻 率。當(dāng)聲腔被填充流體時(shí)，腔的共振頻率與流體的成分直接關(guān)聯(lián)。在現(xiàn)有技術(shù)中描述的該 設(shè)備的主要局限性在于難以有效地激發(fā)腔中的單一主要共振模式。在傳感器內(nèi)可能存在許 多競(jìng)爭(zhēng)的共振模式，包括：徑向、軸向、縱向以及方位角模式。這使得對(duì)傳感器的輸出的解釋 變得復(fù)雜。發(fā)射換能器（發(fā)射器）的典型的縱向運(yùn)動(dòng)與腔的共振模式之間差的耦合以及腔 的共振模式與接收換能器（接收器）之間差的耦合產(chǎn)生差的信號(hào)。接收器中諸如從發(fā)射器 通過(guò)設(shè)備的結(jié)構(gòu)傳遞到接收器的寄生信號(hào)之類的電噪聲的源或者諸如隔膜的部件的機(jī)械 共振可能為與信號(hào)本身可比較的量級(jí)。
[0005] 基于亥姆霍茲振蕩器的設(shè)備也有上述共振傳感器的缺點(diǎn)，例如，在應(yīng)用物理快報(bào) 第82卷第25期第4590頁(yè)中公開(kāi)的現(xiàn)有技術(shù)。在這種設(shè)備中，在腔的孔的頸部中的空氣振 動(dòng)，從而在該腔中引起抵抗頸部中的空氣運(yùn)動(dòng)的壓力振蕩，導(dǎo)致簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。在上述出版物中 描述的實(shí)施例中，由腔中流體的密度以及聲速的改變而引起的聲強(qiáng)度的改變被用于測(cè)量氫 氣和空氣的混合物的成分。這種設(shè)計(jì)具有另外的缺點(diǎn)：共振腔中的單個(gè)孔防止流體流穿過(guò) 傳感器腔，這對(duì)于快速響應(yīng)時(shí)間以及易于集成至流體系統(tǒng)中是期望的。
[0006] 考慮到飛行時(shí)間以及現(xiàn)有的共振腔聲速傳感器的缺點(diǎn)，需要能夠有效地產(chǎn)生明顯 比競(jìng)爭(zhēng)的共振模式以及寄生振蕩大的共振的聲速傳感器。在腔的共振頻率處有效產(chǎn)生大振 幅的徑向模式壓力振蕩克服現(xiàn)有技術(shù)的許多局限。
[0007] 共振聲駐波的有效產(chǎn)生已經(jīng)在流體泵領(lǐng)域被解決。專利申請(qǐng)W02006/111775、 W02009/112866、W02010/139916和W02010/139918公開(kāi)了具有高縱橫比（S卩，腔的半徑與 腔的高度的比率）的大致盤(pán)形腔的泵，其在操作時(shí)在這些腔中產(chǎn)生共振聲駐波。
[0008] 在W02006/111775的圖1中公開(kāi)的泵具有包括側(cè)壁14的大致圓柱形腔11，側(cè)壁 14在每個(gè)端部均由端壁12、13封閉。泵還包括驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)端壁沿大致垂直于端壁的平 面的表面的方向振蕩（在下文中稱為"軸向振蕩"）的致動(dòng)器20。在這種幾何形狀中，致動(dòng) 器20的機(jī)械剛度與腔的聲阻抗良好匹配，使得有效產(chǎn)生高振幅的壓力振蕩。
[0009] 在這種腔中壓力振蕩的有效產(chǎn)生進(jìn)一步取決于腔中流體振蕩的空間輪廓與所驅(qū) 動(dòng)的端壁的運(yùn)動(dòng)的匹配。當(dāng)空間輪廓被良好匹配時(shí)，由致動(dòng)器對(duì)腔中流體所做的功建設(shè)性 地增加，由此增加腔中壓力振蕩的振幅并實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的泵送效率，在此也稱為振形匹配。相 反，在空間輪廓被較差匹配的泵中，由端壁的一些區(qū)域?qū)α黧w所做的功減小而不是增加腔 內(nèi)流體中流體壓力振蕩的振幅。因此，由致動(dòng)器對(duì)流體所做的有用功減少，泵變得低效。 [0010] 上述原理在此被應(yīng)用于共振聲學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)中，其中發(fā)射器（其被驅(qū)動(dòng)）和接 收器（其為被動(dòng)的）與盤(pán)形腔的相對(duì)端壁操作性地關(guān)聯(lián)。由于這種幾何形狀，在操作時(shí)，這 種設(shè)備的發(fā)射器和接收器的機(jī)械剛度很好地匹配腔中盤(pán)形流體空間（volume)的聲阻抗。 盤(pán)形幾何形狀同樣適于實(shí)現(xiàn)發(fā)射器和接收器的位移輪廓與腔中的徑向流體壓力振蕩之間 良好的空間匹配。這些特性的組合能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)發(fā)射器的高振幅壓力振蕩的有效產(chǎn)生和從 接收器的輸出信號(hào)的有效產(chǎn)生，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的一些局限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 在本發(fā)明中，一種共振聲學(xué)傳感器被設(shè)計(jì)為具有大致盤(pán)形聲腔，該大致盤(pán)形聲腔 具有大致圓形端壁。換能器（在此被稱為發(fā)射器）與一個(gè)端壁操作性地關(guān)聯(lián)以引起關(guān)聯(lián)的 端壁的振蕩運(yùn)動(dòng)，由此在使用時(shí)端壁的這些軸向振蕩驅(qū)動(dòng)腔中的流體壓力的徑向振蕩。腔 中的徑向壓力振蕩引起與第二換能器（在此被稱為接收器）操作性關(guān)聯(lián)的第二端壁的軸向 運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生振蕩電信號(hào)。通過(guò)比較用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的信號(hào)與由接收器產(chǎn)生的信號(hào)，能夠 確定聲腔中流體的特性。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種聲學(xué)傳感器，包括：
[0013] 側(cè)壁，在每個(gè)端部由端壁封閉以形成大致圓柱形腔，該大致圓柱形腔在使用時(shí)包 含流體；
[0014] 發(fā)射器，與端壁中的第一端壁操作性地關(guān)聯(lián)；
[0015] 接收器，與端壁中的第二端壁操作性地關(guān)聯(lián)；
[0016] 其中腔的半徑a和腔的高度h滿足以下不等式：
[0017] a/h 大于 1.2;并且
[0018] 其中，在使用時(shí)，發(fā)射器引起第一端壁沿大致垂直于端壁的平面的方向的振蕩運(yùn) 動(dòng)；
[0019] 從而端壁的軸向振蕩驅(qū)動(dòng)腔中的流體壓力的大致徑向振蕩；并且
[0020] 流體壓力的大致徑向振蕩驅(qū)動(dòng)與接收器關(guān)聯(lián)的端壁的振蕩運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生電信 號(hào)。
[0021] 為了避免由于流體粘度引起的過(guò)阻尼，比率h2/a可大于4X10^11。在腔中的流體 為氣體的情況下，比率h 2/a可大于IX l(Tm。在操作時(shí)或在使用時(shí)，腔中實(shí)現(xiàn)的徑向壓力振 蕩的最低共振頻率可大于20kHz，使得人類聽(tīng)不見(jiàn)該設(shè)備。
[0022] 在使用時(shí)，第一端壁的軸向振蕩可在腔中驅(qū)動(dòng)高階徑向模式的壓力振蕩。
[0023] 端壁運(yùn)動(dòng)可與腔中的壓力振蕩振形匹配，并且另外或可替代地近似于貝塞爾函數(shù) 的形式。發(fā)射器或接收器可為壓電設(shè)備，并可由諸如例如電致伸縮或磁致伸縮材料的任何 電活性物質(zhì)或電磁活性材料制成。發(fā)射器或接收器可包括柔性膜。
[0024] 用于檢測(cè)腔中的流體壓力的共振振蕩的機(jī)構(gòu)可包括用于測(cè)量相對(duì)于用于驅(qū)動(dòng)發(fā) 射器的電信號(hào)的振幅的來(lái)自接收器的電信號(hào)的振幅的機(jī)構(gòu)。用于檢測(cè)腔中的流體壓力的共 振振蕩振的機(jī)構(gòu)可包括用于測(cè)量相對(duì)于用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射器的電信號(hào)的來(lái)自接收器的電信號(hào) 的相位的機(jī)構(gòu)。
[0025] 聲學(xué)傳感器可被布置為使得發(fā)射器或接收器的共振與腔的共振不會(huì)顯著重疊。優(yōu) 選地，腔的共振頻率與發(fā)射器和傳感器的共振頻率有以下表達(dá)式描述：
[0026] (f腔+f腔/Q腔）〈（f換能器換能器/Q換能器）[方程式1]
[0027] 其中fK為腔的共振頻率，QK為該共振的品質(zhì)因數(shù)，^為發(fā)射器或接收器的共 振頻率并且為該共振的品質(zhì)因數(shù)。本發(fā)明可進(jìn)一步提供兩個(gè)或更多個(gè)聲學(xué)傳感器，其 中至少兩個(gè)傳感器腔由共同的端壁分離。一個(gè)或更多個(gè)傳感器可被布置為允許對(duì)一個(gè)或更 多個(gè)其它傳感器進(jìn)行包括溫度、流體壓力、熱膨脹或機(jī)械漂移的因素的校準(zhǔn)。至少一個(gè)傳感 器可被裝入殼體中。殼體的流體入口可被集合（manifold)到傳感器的流體入口，并且傳感 器的流體出口將流體輸出到傳感器與殼體之間的空間中。
[0028] 傳感器或傳感器組可進(jìn)一步包括與腔的側(cè)壁和或端壁操作性地關(guān)聯(lián)的溫度傳感 器。傳感器或傳感器組可進(jìn)一步包括通過(guò)傳感器的端側(cè)壁或一個(gè)或更多個(gè)端壁的材料的導(dǎo) 管，其中，在使用時(shí)，流體通過(guò)該導(dǎo)管流入腔中。加熱器可與腔的側(cè)壁和或端壁操作性地關(guān) 聯(lián)。偵幢或一個(gè)或更多個(gè)端壁可由具有大于SOWnTV 1的導(dǎo)熱率的材料制成。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1不出聲學(xué)傳感器的一實(shí)施例的不意性截面、傳感器的第一端壁的位移輪廓、 傳感器的腔內(nèi)的壓力振蕩圖以及傳感器的第二端壁的位移輪廓。
[0030] 圖2示出聲學(xué)傳感器的一實(shí)施例的腔共振附近的發(fā)射器與接收器之間的典型的 相位差和增益。
[0031] 圖3不出聲學(xué)傳感器的數(shù)個(gè)實(shí)施例的腔的入口和出口的布置。
[0032] 圖4示出聲學(xué)傳感器的實(shí)施例，其中共振腔的一個(gè)或更多個(gè)端壁部分地由柔性膜 組成。
[0033] 圖5不出具有兩個(gè)共振聲腔（一個(gè)測(cè)試腔和一個(gè)參考腔）的聲學(xué)傳感器的實(shí)施 例。
[0034] 圖6示出被裝入殼體內(nèi)使得發(fā)射器和接收器各處壓力差降低的聲學(xué)傳感器的實(shí) 施例。
[0035] 圖7示出具有集成的溫度計(jì)并具有通過(guò)傳感器的流體路徑的聲學(xué)傳感器的實(shí)施 例，流體路徑被設(shè)計(jì)為減小流體與聲學(xué)傳感器之間的溫度差。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 在下面數(shù)個(gè)例示性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參照形成其一部分的附圖，在附圖中通 過(guò)例示的方式示出特定的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明可在該特定的優(yōu)選實(shí)施例中被實(shí)施。這些實(shí) 施例被描述得足夠詳細(xì)，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解可以利用其 它實(shí)施例并且在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以作出邏輯結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電學(xué)和化 學(xué)上的變化。為了避免對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施在此描述的實(shí)施例而言為不必要的細(xì)節(jié)， 描述可省略對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的某些信息。因此，下面的詳細(xì)描述不是采用限制的 意義，并且例示的實(shí)施例的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
[0037] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的聲學(xué)傳感器1的示意性圖示。腔2由端壁3和4以及側(cè)壁 5限定。腔2的橫截面如所示為大致圓形，但是可使用其它合適的形狀，諸如橢圓形。由于 具有在W02006/111775中公開(kāi)的泵，本發(fā)明可描述為具備大致盤(pán)形腔。在本發(fā)明中，圓柱形 腔被認(rèn)為提供最佳性能。然而，具有非圓形橫截面的腔在某種程度上也可以是有效的。這 樣，就本發(fā)明而言，在此限定的大致圓柱形腔可包括具有非圓形橫截面和/或非平行壁的 腔，以及具有截頭圓錐形端壁的腔，或者具有在兩個(gè)端壁之間變化的橫截面的腔。雖然表達(dá) 為圓柱形形式，但是在此描述的特性和比率在使用具有變化的和/或非圓形橫截面的腔時(shí) 可應(yīng)用于腔的平均或最大高度或半徑。在操作時(shí)，傳感器產(chǎn)生徑向聲學(xué)壓力振蕩。特別地， 當(dāng)腔半徑a大于1. 2倍的腔高度時(shí)，即a/h>l. 2,腔中流體的振蕩的最低頻率徑向振蕩模式 具有比腔的任何縱向模式更低的頻率。在操作時(shí)，優(yōu)選最低頻率徑向模式處于20kHz或更 高的頻率，以使設(shè)備在操作時(shí)是聽(tīng)不見(jiàn)的。大約20kHz或更高的頻率提供高于人類正常聽(tīng) 力極限的操作。
[0038] 為了避免由于腔中流體的高粘滯損失引起的低效率操作，腔的高度應(yīng)該為流體中 的粘滯邊界層的厚度的至少兩倍：
[0039]

【權(quán)利要求】
1. 一種聲學(xué)傳感器，包括： 側(cè)壁，在每個(gè)端部處由端壁封閉以形成大致圓柱形腔，該大致圓柱形腔在使用時(shí)包含 流體； 發(fā)射器，與所述端壁中的第一端壁操作性地關(guān)聯(lián)； 接收器，與所述端壁中的第二端壁操作性地關(guān)聯(lián)； 其中所述腔的半徑a和所述腔的高度h滿足以下不等式： a/h大于1. 2 ;并且 其中，在使用時(shí)，所述發(fā)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 的振蕩運(yùn)動(dòng)； 從而所述端壁的軸向振蕩驅(qū)動(dòng)所述腔中的流體壓力的大致徑向振蕩；并且 流體壓力的大致徑向振蕩驅(qū)動(dòng)與所述接收器關(guān)聯(lián)的所述端壁的振蕩運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生電 信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)傳感器，其中比率a/h大于2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲學(xué)傳感器，其中h2/a大于4X Krlclm。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中所述腔中的流體為氣體，并且 其中比率h2/a大于1 X l(T7m。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中，在使用時(shí)，所述腔中的徑向壓 力振蕩的最低共振頻率大于20kHz。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中，在使用時(shí)，所述第一端壁的軸 向振蕩在所述腔中驅(qū)動(dòng)高階徑向模式的壓力振蕩。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中，在使用時(shí)，所述端壁運(yùn)動(dòng)與所 述腔中的壓力振蕩振形匹配。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中，在使用時(shí)，端壁運(yùn)動(dòng)近似于貝 塞爾函數(shù)的形式。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中所述發(fā)射器為壓電設(shè)備。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲學(xué)傳感器，其中所述發(fā)射器包括柔性膜。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中所述接收器為壓電設(shè)備。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的聲學(xué)傳感器，其中所述接收器包括柔性膜。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中用于檢測(cè)所述腔中的流體壓 力的共振振蕩的機(jī)構(gòu)包括用于測(cè)量相對(duì)于用于驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射器的電信號(hào)的振幅的來(lái)自所 述接收器的電信號(hào)的振幅的機(jī)構(gòu)。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，其中用于檢測(cè)所述腔中的流體壓 力的共振振蕩的機(jī)構(gòu)包括用于測(cè)量相對(duì)于用于驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射器的電信號(hào)的來(lái)自所述接收 器的電信號(hào)的相位的機(jī)構(gòu)。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器，被布置為使得所述發(fā)射器和或所 述接收器的共振與所述腔的共振不會(huì)顯著重疊。
16. -種傳感器組，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的兩個(gè)或更多個(gè)聲學(xué)傳感器， 其中至少兩個(gè)傳感器腔由共同的端壁分離。
17. -種傳感器組，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的兩個(gè)或更多個(gè)聲學(xué)傳感器， 其中一個(gè)或更多個(gè)所述傳感器被布置為允許對(duì)一個(gè)或更多個(gè)其它傳感器進(jìn)行包括溫度、流 體壓力、熱膨脹或機(jī)械漂移的因素的校準(zhǔn)。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，其中至少一個(gè)所述傳 感器被裝入殼體中。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，其中所述殼體的流體入口被集合 到所述傳感器的流體入口，并且所述傳感器的流體出口將流體輸出到所述傳感器與所述殼 體之間的空間中。
20. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，進(jìn)一步包括與所述腔 的所述側(cè)壁和或端壁操作性地關(guān)聯(lián)的溫度傳感器。
21. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，進(jìn)一步包括通過(guò)所述 傳感器的所述端側(cè)壁或者一個(gè)或更多個(gè)所述端壁的材料的導(dǎo)管，其中，在使用時(shí)，流體通過(guò) 所述導(dǎo)管流入所述腔中。
22. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，進(jìn)一步包括與所述腔 的所述側(cè)壁和或端壁操作性地關(guān)聯(lián)的加熱器。
23. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，其中所述側(cè)壁或一個(gè) 或更多個(gè)所述端壁由具有大于SOWnT1!^的導(dǎo)熱率的材料制成。
24. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲學(xué)傳感器或傳感器組，進(jìn)一步包括與所述腔 的所述側(cè)壁和或端壁操作性地關(guān)聯(lián)的壓力傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N29/22GK104160270SQ201280060202
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月6日
【發(fā)明者】賈絲廷·羅克·巴克蘭, 安德魯·羅伯特·坎貝爾 申請(qǐng)人:技術(shù)合伙公司