声学传感器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】声学传感器
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。
技术介绍
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。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(parasiticconduction)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。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。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。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。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WO2006/111775、WO2009/112866、WO2010/139916和WO2010/139918公开了具有高纵横比(即，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。在WO2006/111775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。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。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。
技术实现思路
在本专利技术中，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。根据本专利技术，提供一种声学传感器，包括：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；发射器，与端壁中的第一端壁操作性地关联；接收器，与端壁中的第二端壁操作性地关联；其中腔的半径a和腔的高度h满足以下不等式：a/h大于1.2；并且其中，在使用时，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；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。为了避免由于流体粘度引起的过阻尼，比率h2/a可大于4×10-10m。在腔中的流体为气体的情况下，比率h2/a可大于1×10-7m。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。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。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。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。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：(f腔+f腔/Q腔)<(f换能器-f换能器/Q换能器)[方程式1]其中f腔为腔的共振频率，Q腔为该共振的品质因数，f换能器为发射器或接收器的共振频率并且Q换能器为该共振的品质因数。本专利技术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。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。侧壁或一个或更多个端壁可由具有大于50Wm-1k-1的导热率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.06 GB 1120887.31.一种声学传感器(1)，包括：侧壁(5)，在每个端部处由端壁封闭以形成大致圆柱形腔(2)，该大致圆柱形腔(2)在使用时包含流体；发射器(8)，与所述端壁中的第一端壁(3)操作性地关联；接收器(9)，与所述端壁中的第二端壁(4)操作性地关联；其中所述腔(2)的半径a和所述腔(2)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(8)引起所述第一端壁(3)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(2)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(9)关联的所述端壁(4)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(1)，其中比率a/h大于2。3.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中h2/a大于4×10-10m。4.根据权利要求3所述的声学传感器(1)，其中所述腔(2)中的流体为气体，并且其中比率h2/a大于1×10-7m。5.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中，在使用时，所述腔(2)中的流体压力的大致径向振荡的最低共振频率大于20kHz。6.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中所述发射器(8)或接收器(9)为压电设备。7.根据权利要求6所述的声学传感器(1)，其中所述发射器(8)或接收器(9)包括柔性膜。8.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中用于检测所述腔(2)中的流体压力的共振振荡的机构包括用于测量所述发射器(8)与所述接收器(9)之间的电振幅增益的机构。9.根据权利要求1所述的声学传感器(1)，其中用于检测所述腔(2)中的流体压力的共振振荡的机构包括用...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾丝廷·罗克·巴克兰，安德鲁·罗伯特·坎贝尔，
申请(专利权)人：技术合伙公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB