气流和相关特性的声学测量传感器制造技术

本发明专利技术是一种声测量气流的传感器（１０）。它包括：传感器主体（１８），限定具有第一端部（３）的管，在管中包括与在测量中的气流接合的阻尼器部分相邻所述第一端部的阻尼器部分。所述传感器还包括薄膜（１２），固定安装到所述外罩上，将所述传感器主体与气流密封开。由压电片（４）堆组成的一个致动器（６）位于传感器主体（１８）中，与薄膜相互作用。具有在致动器（６）的声阻抗和气流声阻抗之间声阻抗的声音传导材料（８）位于所述薄膜（１２）和致动器（６）之间。所述传感器还包括阻尼器总成（２０），位于所述传感器主体的阻尼器部分，阻尼器总成包括在传播声的垫圈（２６）之间的多个阻尼垫圈（３０），所述阻尼器总成阻尼通过所述传感器的声能。所述传感器另一个实施例包括一个反射器，它耦接到第一端部，改变引向传感器（１０）声能方向，或改变从传感器出来的声能方向。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求1999年5月24日提交的在先申请No.60/135,644的优先权。
技术介绍
1.专利
本专利技术涉及流量测量；特别涉及测量气流特性的声学流量测量装置。2.现有技术的说明使用超声波流量计测量气流特性是困难的。这部分是由于使用现有装置造成的低密度和从一个传感器向气体传播的声波的阻抗失配。超声波传感器一般用一个固体元件，向一个流体流注入超声波能。在很多例子中，从固体到流体的运动产生一种阻抗失配，并引起大百分比的声能被反射。对于液体，这个失配是十分小的，即使在使得声波能通过管的金属壁时，仍能够进行流量的超声波测量。对于气流测量，阻抗失配是大的，并且不容易克服。另外，由于气体的低声阻抗，用声能测量气流参数在特性上也是困难的。在声能从物理上安装到管壁上的能量传感器输入气流中时，外罩和管壁也能够谐振或鸣响。这种谐振使得识别和测量引入到气流中的声信号困难。因此，需要一种准确测量气流中的流量的装置。也需要一种装置，它能够充分与气流匹配，以克服阻抗失配，并从低电压发射源向气体注入足够的能量。还需要一种装置，它将所述装置与管壁隔音，以避免气体声信号的被干扰。在其他的实施例中，所述传感器最好包括外罩的第二端壁；和位于外罩的第一端部和第二端部之间的一个阻尼器，用于衰减通过致动器的声能。阻尼器可以包括具有不连续外表面的阻尼材料。不连续外表面可包括飞边和槽。阻尼器可以包括交替阻尼和传播垫圈的多个垫圈。致动器可以包括一堆压电片。所述传感器可以包括一个耦接到外罩的第一端部的反射器，用于改变引向传感器或从传感器出来的声能的方向。传导材料的声阻抗值可以包括在致动器的声阻抗和气体流的声阻抗之间的声阻抗的几何平均值。薄膜可以包括一种金属，它被致动器移位产生声波，或被气流移位向致动器发射声能。声音传导材料可以包括的厚度为致动器产生的波长的四分之一。气流的声测量的传感器包括一个传感器主体，它限定一个具有第一端部的管；和一个阻尼器部分，它与第一端部相邻设置，第一端部接合气流。一个薄膜固定安装到外罩，将第一端部与气流密封分开。一个致动器位于第一端部中，与薄膜相互作用。声音传导材料位于所述薄膜和致动器之间。声音传导材料的阻抗在致动器的声阻抗和气流的声阻抗之间。阻尼器总成位于传感器主体的阻尼器部分中。阻尼器总成包括在声传播垫圈之间的多个阻尼垫圈。阻尼器总成使通过传感器的声能衰减。在另外的实施例中，阻尼器部分可以具有比第一端部的壁厚小的壁厚。传感器主体可以包括钢，阻尼器部分的壁厚最好是约15-25密耳。致动器可以包括一堆压电片。传感器可以包括一个反射器，它耦接到外罩的第一端部，用于改变引向传感器或从传感器发出的声能的方向。传导材料的声阻抗可以包括在致动器声阻抗和气流声阻抗之间的声阻抗的几何平均数。薄膜可以包括一种金属，它由致动器位移产生声波，或由气流位移向致动器发射声能。声音传导材料可以包括的厚度为致动器产生的波长的四分之一。阻尼垫圈可以包括致动器产生波长的四分之一的厚度。通过以下参照附图的实施例的详细说明，将明了本专利技术的这些和其他的目的、特征和优点。附图说明图1是本专利技术声测量气体流的装置的剖视图；图2是本专利技术声测量气体流的装置另一个实施例的剖视图；图3是本专利技术图1装置上安装的声反射器的前视图；图4是本专利技术图1装置上安装的声音反射器的侧视图；图5是本专利技术图1装置上安装的声音反射器的后视图；图6是根据本专利技术在管中安装的图1装置的剖视图；图7是根据本专利技术的弦式(chordally)安装在带有反射器的管中的图1的两个装置的剖视图；和图8是根据本专利技术声测量气流装置的另一实施例的剖视图。优选实施例详述本专利技术涉及流量测量，特别涉及，测量在气流中的流动特性的声流量测量装置。本专利技术提供一种在测量的气流和测定装置之间声匹配接口。这个接口最好包括传导声音的胶。所述的传导声音的胶最好是一种基本不可压缩的材料，在所述装置和气流之间传递声能，减少阻抗失配，从而提高声能的传播。本专利技术的装置还提供一种装置内的阻尼器，它降低从有源超声波产生装置到与管壁接触的结构的声能耦合。所述阻尼器防止声能被传递到装置的外罩。而且，提供一种所述装置的隔离部分，它使得所述装置能够安装到管上或外罩上，而不对外罩或管传播谐振和其他振动的影响，或从外罩或管吸收谐振和其他振动影响。详见附图，几个图中的相同的符号本表示相同或相似的元件。图1示出本专利技术的装置10。装置10包括一个堆(stack)或有源元件6，它提供在管或其他介质中声测量气流特性的声波，最好是超声波。装置10既可以用作声能的发射器，也可以用作接收器。装置10包括一个外罩18，它最好是金属的，如钢、不锈钢、钛等。外罩18的结构和大小使得能够提供装置10内的组件的保护。有源元件6(下称“堆6”)最好包括一个压电堆或磁限堆。在一个优选实施例中，堆6包括多个薄片形的偏铌酸铅晶体层4，每层4相对于相邻层的极性相反，以使得所述的堆同步膨胀和收缩。各层之间对于电接点的电连接形成在堆6的外周，以致在施加电压时，跨每个晶片或层4产生电位差。在堆6结合在外罩18内前，电连接件13件用环氧树脂粘贴到位。堆6一致地膨胀和收缩，取得一个偏移振幅。例如通过采用电子束焊接方法，这个偏移振幅经由一个1/4波长的阻抗匹配接口施加到一个固定到外罩18上的薄金属薄膜12。薄膜12又使得压缩波在气流中传播，或如果是在接收方式，薄膜12向堆6发射声能，堆6将这个声能转换成电信号。根据本专利技术，一个声音传导材料8分布在薄膜12和堆6之间。材料8最好是基本不可压缩的材料，它提供的声阻抗尽量接近在堆的声阻抗(Z1)和被测量的气流声阻抗(Z2)之间的几何平均数 可以使用如商标为ULTEM、TORLON和TEFLON的材料。业内人士了解声阻抗是与材料的密度和材料声速成比例的。这样，可以根据所述装置的应用、物理性能和被测量气体选择一种声胶。因为薄膜12是薄的，所以它是“听觉不可见的”，并且在阻抗计算上可以忽略。材料8也是根据它的耐热和加压能力选择。本专利技术的一些应用可以包括温度大于550华氏度和压力大于6000psi的情况。在其他温度和压力下也可以使用。材料8最好是声波的发射频率的1/4波长。材料8可以约0.1英寸厚。材料8也可以由商标为TEFLON的材料制造，可以约0.12英寸厚。例如，外罩18可以由钢或钛制造，例如带有由TEFLON制造并与它形成一体的阻尼器20。堆6分布在外罩18内。可以用一个垫片15确保堆6在外罩18内的适当的间距，并支撑材料8离开薄膜12。垫片15的厚度可以约为堆6产生声波的波长的1/4。垫片15可以由塑料制造，如TEFLON，并且薄膜12可以包括一种金属，如钢或钛，厚度为5-10密耳。也可以用垫片15支撑和定位堆6和材料8，并提供在堆6的侧面的电连接件13的空间，并如上所述，在结合时加环氧树脂。根据本专利技术，一个阻尼器20设在堆6和外罩18之间。通过收缩配合或在其间施加粘结剂或环氧树脂，将阻尼器20装配到外罩18中。阻尼器20衰减从薄膜12或内部路径进入外罩18的任何声能。这样的能量被有利地衰减，使得保持的能量不干扰由于在声信号通过气流时高度衰减造成的低振幅信号。堆6被压力支撑板22支撑，它形成堆6的支撑并提供一个压缩圆盘，以提供电连接件13至堆6的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声测量气流的传感器，其特征在于，包括： 外罩，它具有第一端部； 薄膜，固定安装到所述外罩，用于将第一端部与气流密封开； 致动器，位于所述第一端部，与所述薄膜相互作用； 声音传导材料，位于所述薄膜和致动器之间，所述声音传导材料包括在所述致动器的声阻抗和气流的声阻抗之间的声阻抗。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫鲍莫尔，罗伯特谢弗，
申请(专利权)人：约瑟夫鲍莫尔，罗伯特谢弗，
类型：发明
国别省市：US[美国]