超聲波傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備具有：載體（2），所述載體能夠與介質(zhì)（3）形成接觸；設(shè)置在載體（2）上的、用于在載體（2）中激發(fā)聲波（A）的至少一個(gè)發(fā)射器（4）；設(shè)置在載體（2）上的、用于接收聲波（A，A’）的至少一個(gè)接收器（5），所述聲波源自借助于發(fā)射器（4）在載體（2）中激發(fā)的波（A）；設(shè)置在載體（4）上的第一材料區(qū)域（61）；和設(shè)置在載體（4）上的第二材料區(qū)域（62），其中將第二材料區(qū)域（62）實(shí)現(xiàn)為，使得其與第一材料區(qū)域（61）相比更強(qiáng)地吸收具有在載體（2）中激發(fā)的聲波（A）的頻率的音波。本發(fā)明也涉及一種用于制造這種設(shè)備的方法。
【專利說明】超聲波傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備以及一種根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于制造這種設(shè)備的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于去檢測液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)的特性(例如溫度或組成成分)的音波在現(xiàn)有技術(shù)中已知。例如，W02008/034878中公開一種用于在鄰接于要研究的介質(zhì)處的載體中激發(fā)表面音波的設(shè)備，其中借助于表面音波確定介質(zhì)的物理特性和/或化學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所基于的問題在于，提供一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能有效地檢驗(yàn)介質(zhì)。此外，應(yīng)當(dāng)提供一種用于制造這種設(shè)備的方法。
[0004]所述問題通過具有根據(jù)權(quán)利要求1所述的特征的設(shè)備以及通過具有根據(jù)權(quán)利要求18所述的特征的方法來解決。本發(fā)明的改進(jìn)形式在從屬權(quán)利要求中說明。
[0005]據(jù)此，提供一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備具有:
[0006]-載體，所述載體能夠與介質(zhì)形成接觸；
[0007]-設(shè)置在載體上的、用于在載體中激發(fā)聲波的至少一個(gè)發(fā)射器；
[0008]-設(shè)置在載體上的、用于接收聲波的至少一個(gè)接收器，所述聲波源自借助于發(fā)射器在載體中所激發(fā)的聲波；
[0009]-設(shè)置在載體上的第一材料區(qū)域；以及
[0010]-設(shè)置在載體上的第二材料區(qū)域，其中將第二材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)為使得其與第一材料區(qū)域相比更強(qiáng)地吸收具有在載體中所激發(fā)的聲波的頻率的音波。
[0011]第一和第二材料區(qū)域尤其用于:抑制或者至少減少音波沿不期望的方向傳播進(jìn)而抑制或者至少減少例如在設(shè)備的其他結(jié)構(gòu)部上的反射從而抑制或者至少減少接收信號(hào)中的回聲。此外，能夠衰減外部的干擾，所述干擾提高接收信號(hào)的信噪比和/或?qū)⒔邮招盘?hào)與介質(zhì)特性的相關(guān)性線性化。此外，第一和第二材料區(qū)域能夠使設(shè)備機(jī)械穩(wěn)定并且例如也能夠克服在載體上和/或反射器上或者接收器上的形成沉積物。
[0012]發(fā)射器尤其構(gòu)成為，使得其在載體中激發(fā)例如呈蘭姆波形式或呈蘭姆波和瑞利波組成的混合形式的形式的表面聲波。例如，在載體中產(chǎn)生表面聲波脈沖。在載體中所激發(fā)的表面聲波部分地從載體中稱合輸出到介質(zhì)中，也就是說，進(jìn)行從載體中傳播的表面聲波到介質(zhì)中的體音波中的轉(zhuǎn)換。相反，在介質(zhì)中所激發(fā)的體音波部分地再次向回轉(zhuǎn)換成載體中的表面音波，所述表面音波然后能夠借助接收器來記錄。然而，在載體中所激發(fā)的表面聲波的一部分也直接地在載體中傳播至接收器并且在那里被檢測到。然而也能夠考慮的是，借助于接收器在載體中不激發(fā)或者至少不僅僅激發(fā)表面音波，而是通常激發(fā)具有例如縱向分量(沿著載體)和橫向分量(垂直于載體)的音波。還可行的是，在載體中激發(fā)純的縱向波。
[0013]此外，兩個(gè)材料區(qū)域中的至少一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)為，使得有助于從載體中所激發(fā)的音波到介質(zhì)中的體音波的轉(zhuǎn)換，也就是說，載體中的音波的與這在不具有材料區(qū)域的情況下相比將更大的份額耦合輸出到介質(zhì)中。特別地，材料區(qū)域構(gòu)成為，使得一方面第一材料區(qū)域有助于將音波從載體耦合輸入到介質(zhì)中，并且另一方面通過更強(qiáng)地吸收的第二材料區(qū)域衰減沿遠(yuǎn)離介質(zhì)的方向從載體中耦合輸出。
[0014]此外，尤其能夠?qū)⒌谝徊牧蠀^(qū)域構(gòu)成為，使得其有助于激發(fā)特定類型的音波，即具有特定的縱向分量和橫向分量的音波。例如，第一材料區(qū)域和/或第二材料區(qū)域構(gòu)成為，使得優(yōu)選地在載體中激發(fā)表面波或者蠕波。也能夠考慮的是，第一和/或第二材料區(qū)域構(gòu)成為，使得在載體中以第一頻率(或者第一頻率范圍)激發(fā)第一波類型(例如表面波)并且以第二頻率(或者第二頻率范圍)激發(fā)第二波類型(例如蠕波)。
[0015]此外根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)形式，第一材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)為，使得其與第二材料區(qū)域相比更強(qiáng)地反射具有在載體中所激發(fā)的波的頻率的音波。特別地，高反射的第一材料區(qū)域至少分段地設(shè)置在載體和第二材料區(qū)域之間，其中這兩個(gè)材料區(qū)域尤其設(shè)置在載體的在設(shè)備運(yùn)行時(shí)背離待檢驗(yàn)的介質(zhì)的一側(cè)上。因此特別地，高反射的第一材料區(qū)域克服聲波從載體經(jīng)由載體的背離介質(zhì)的表面逸出，并且尤其如上面提及的那樣與第二材料區(qū)域相比更強(qiáng)地有助于將波過臨界耦合到介質(zhì)中，也就是說，有助于在載體中所激發(fā)的聲波到介質(zhì)中的體音波的轉(zhuǎn)換。
[0016]可行的是，與以第二頻率范圍相比，第一材料區(qū)域以第一頻率范圍更強(qiáng)地反射音波，使得與以第二頻率范圍相比，以第一頻率范圍將在載體中所激發(fā)的音波的更大份額過臨界耦合到介質(zhì)中，也就是說與頻率相關(guān)地實(shí)現(xiàn)將載體中的音波轉(zhuǎn)換成體音波或者改變(例如加強(qiáng))頻率相關(guān)性，如這在上面已經(jīng)提及的。也能夠通過第一材料區(qū)域的反射性能的頻率相關(guān)性實(shí)現(xiàn)在載體中的特定的波類型的與頻率相關(guān)的激發(fā)，如這在上面同樣已經(jīng)提及的。
[0017]由接收器所檢測到的聲波的特性，即一方面為通過體音波再轉(zhuǎn)換而形成的表面音波的或者另一方面直接在載體中從發(fā)射器傳播至接收器的表面音波的特性與介質(zhì)特性(例如其組成成分、質(zhì)量密度和/或溫度)相關(guān)。相應(yīng)地，(電)接收信號(hào)也與介質(zhì)特性相關(guān)，使得通過分析接收信號(hào)能夠確定介質(zhì)的特性。特別地，在接收器上傳播的表面音波的振幅和運(yùn)行時(shí)間(進(jìn)而接收信號(hào)的振幅和時(shí)間性能)與介質(zhì)特性相關(guān)。
[0018]因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備為傳感器，所述傳感器尤其能夠用于確定液體和/或軟材料(例如生物組織或凝膠)形式的介質(zhì)特性。然而也能夠考慮的是，使用用于確定呈氣體形式的介質(zhì)的特性的設(shè)備。例如，將該設(shè)備部分地或者完全地沉入到介質(zhì)中，或者與用介質(zhì)填充的儲(chǔ)存器或被介質(zhì)穿流的管道連接，使得介質(zhì)能夠流動(dòng)穿過設(shè)備。借助根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠連續(xù)地跟蹤介質(zhì)特性，以便確定時(shí)間相關(guān)的特性(“監(jiān)控”)。此外，對(duì)介質(zhì)的空間非均勻分布的特性進(jìn)行位置分辨的測量是可行的。
[0019]設(shè)備的載體尤其具有第一表面，所述載體借助所述第一表面能夠與介質(zhì)形成接觸，并且載體具有背離第一表面的第二表面，其中例如發(fā)射器以及第一材料區(qū)域和第二材料區(qū)域均設(shè)置在第二表面上。然而也可行的是，發(fā)射器位于第一表面上并且還有第一和/或第二材料區(qū)域的至少一個(gè)子區(qū)域同樣設(shè)置在第一表面上。
[0020]載體例如為基本上平坦的(板式的)、尤其至少基本上剛性的結(jié)構(gòu)，其中載體也能夠由多個(gè)子元件、例如多個(gè)彼此間隔開的板構(gòu)成。當(dāng)然，載體也能夠一件式地成形。[0021]此外能夠考慮的是，載體為立體結(jié)構(gòu)，例如為空心圓柱體。在載體作為空心圓柱體的設(shè)計(jì)方案中，載體構(gòu)成側(cè)表面，所述側(cè)表面對(duì)可用待檢驗(yàn)的介質(zhì)填充的內(nèi)部體積進(jìn)行限界。
[0022]此外，載體本身的鄰接于介質(zhì)的部段能夠具有空腔，在所述空腔中存在發(fā)射器和/或接收器。因此，例如在將載體構(gòu)成為空心圓柱體的情況下能夠具有空心圓柱體的壁或者在板作為載體的情況下，所述板具有空腔。例如，通過載體的部段構(gòu)成的空腔通過內(nèi)壁和外壁限界，所述內(nèi)壁在設(shè)備運(yùn)行時(shí)借助內(nèi)側(cè)與介質(zhì)物理接觸，所述外壁構(gòu)成設(shè)備的外側(cè)。此外能夠考慮的是，第一和/或第二材料區(qū)域同樣設(shè)置在所述空腔中。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一設(shè)計(jì)方案，第一材料區(qū)域具有第一材料并且第二材料區(qū)域具有第二材料，其中第二材料具有比第一材料更大的質(zhì)量密度。此外能夠考慮的是，第二材料區(qū)域與第一材料區(qū)域相比具有更高的聲阻抗，其中“聲阻抗”尤其能夠理解為聲壓和聲通量的商。
[0024]第一和第二材料區(qū)域具有至少一種材料，所述材料處于其固態(tài)形式下，即第一和第二材料區(qū)域不僅僅由氣體(空氣)形成。
[0025]作為用于第一材料區(qū)域的材料例如能夠考慮海綿狀材料(例如聚氨酯海綿)。作為用于第二材料區(qū)域的材料例如應(yīng)用硅樹脂或環(huán)氧樹脂。第一材料區(qū)域的材料和/或第二材料區(qū)域的材料能夠具有例如為空氣氣泡和/或金屬顆粒的填充物。例如，通過填充物的濃度和/或類型(例如金屬顆粒的大小)目的明確地調(diào)整第一和/或第二材料區(qū)域的特性。因此可行的是，根據(jù)填充物的濃度和/或類型，與以第二頻率范圍相比，第一和/或第二材料區(qū)域更強(qiáng)地有助于以第一頻率范圍將在載體中所激發(fā)的音波轉(zhuǎn)換為在介質(zhì)中的體音波(例如在該頻率范圍中的音波更強(qiáng)地反射);例如抑制以第二頻率范圍進(jìn)行轉(zhuǎn)換。也能夠考慮的是，與填充物的濃度和/或類型相關(guān)地在載體中優(yōu)選激發(fā)特定的波類型。
[0026]也能夠考慮的是，第一材料區(qū)域具有漆或金屬覆層，所述漆或金屬覆層例如同時(shí)能夠用作為用于接觸元件(例如發(fā)射器和/或接收器)的帶狀導(dǎo)線。
[0027]本發(fā)明的第二角度涉及一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，其具有
[0028]-能夠與介質(zhì)形成接觸的載體；
[0029]-設(shè)置在載體上的、用于在載體中激發(fā)聲波，尤其是表面波的至少一個(gè)發(fā)射器；
[0030]-設(shè)置在載體上的。用于接收聲波的至少一個(gè)接收器，所述聲波源自借助于發(fā)射器在載體中所激發(fā)的聲波；
[0031]-設(shè)置在載體上的材料區(qū)域，所述材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)為，使得其造成在載體中所激發(fā)的聲波的引導(dǎo)和/或與位置相關(guān)地影響從載體中的聲波到介質(zhì)中的體音波的轉(zhuǎn)換或者從介質(zhì)中的體音波到載體中的聲波的轉(zhuǎn)換。
[0032]特別地，材料區(qū)域由上面闡明的第一和第二材料區(qū)域構(gòu)成，或者所述材料區(qū)域具有這種材料區(qū)域。換言之，材料區(qū)域包括第一材料區(qū)域，第一材料區(qū)域與第二材料區(qū)域相比更強(qiáng)地吸收具有在載體中所激發(fā)的波的頻率的音波，其中第一材料區(qū)域還構(gòu)成為，使得其與第二材料區(qū)域相比更強(qiáng)地反射具有在載體中所激發(fā)的波的頻率的音波。特別地，第一材料區(qū)域能夠構(gòu)成為，使得其有助于激發(fā)特定的波類型和/或有助于將在載體中所激發(fā)的波轉(zhuǎn)換成在介質(zhì)中的體音波(例如位置相關(guān)地進(jìn)行)，如這在開始所描述的那樣。
[0033]材料區(qū)域尤其被結(jié)構(gòu)化為，使得其連同載體一起限定引導(dǎo)聲波的波導(dǎo)。例如，材料區(qū)域條狀地沿著(例如直的)線延伸，所述線確定用于傳播在載體中所激發(fā)的表面音波的路徑。也能夠考慮的是，通過材料區(qū)域選擇性地、即尤其位置相關(guān)地或者與聲波的類型或模相關(guān)地影響將載體中的波轉(zhuǎn)換成體音波或者相反地從介質(zhì)中的體音波轉(zhuǎn)換成載體中的聲波。例如，材料區(qū)域在載體的特定部位處防止將音波耦合輸出到介質(zhì)中或者相反地防止音波從介質(zhì)中耦合輸出到載體中。特別地，被結(jié)構(gòu)化以用于引導(dǎo)波的材料區(qū)域的施加能夠取代載體的結(jié)構(gòu)化。因此雖然對(duì)載體進(jìn)行結(jié)構(gòu)化以便實(shí)現(xiàn)波的目的明確的引導(dǎo)是可行的，但是尤其在應(yīng)用由非壓電材料制成的載體的情況下大多數(shù)情況下仍是耗費(fèi)的。
[0034]材料區(qū)域尤其設(shè)置在載體的在設(shè)備運(yùn)行時(shí)背離介質(zhì)的表面上。然而，也能夠考慮的是，如上面已經(jīng)接合本發(fā)明的第一角度所提及的那樣，材料區(qū)域的至少一部分設(shè)置在內(nèi)側(cè)上，即設(shè)置在載體的朝向介質(zhì)的一側(cè)上。
[0035]本發(fā)明的第三角度涉及用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，其具有:
[0036]-能夠與介質(zhì)形成接觸的載體；
[0037]-設(shè)置在載體上的、用于在載體中激發(fā)聲波的，尤其是表面波的至少一個(gè)發(fā)射器；
[0038]-設(shè)置在載體上的、用于接收聲波的至少一個(gè)接收器，所述聲波源自借助于發(fā)射器在載體中激發(fā)的波；
[0039]-設(shè)置在載體上的至少一個(gè)材料區(qū)域，所述材料區(qū)域設(shè)置在載體的在設(shè)備運(yùn)行時(shí)朝向介質(zhì)的表面上，其中材料區(qū)域具有聲阻抗，所述聲阻抗位于介質(zhì)的聲阻抗和載體的聲阻抗之間。
[0040]特別地，材料區(qū)域的聲阻抗大于介質(zhì)的聲阻抗并且小于載體的聲阻抗。然而也能夠考慮相反的情況，例如在高粘度的液體作為介質(zhì)的情況下。
[0041]因此，借助于設(shè)置在載體內(nèi)側(cè)上的材料區(qū)域進(jìn)行(尤其由非壓電材料形成的)載體和待檢驗(yàn)的介質(zhì)之間的阻抗匹配。例如能夠應(yīng)用塑料(尤其是特氟龍)作為用于(阻抗匹配的)材料區(qū)域的材料。也可行的是，材料區(qū)域包括氧化層，所述氧化層例如通過陽性處理產(chǎn)生。也能夠考慮的是，代替或者附加于氧化層，應(yīng)用具有鈍化特性(例如氮化物層)或者納米覆層的另外的層。顯然地，也能夠設(shè)置有具有不同的(朝向載體增加的)聲阻抗的多個(gè)材料層。
[0042]借助于材料區(qū)域進(jìn)行的阻抗匹配尤其具有從載體到介質(zhì)中的能量耦合輸出的更好的效率進(jìn)而產(chǎn)生接收信號(hào)的更大的振幅和/或改進(jìn)的信號(hào)-噪聲比。此外也可能考慮的是，經(jīng)由用于阻抗匹配的材料區(qū)域以位置相關(guān)的方式將不同的音能從載體耦合輸入到介質(zhì)中，以便目的明確地(位置相關(guān)地)實(shí)施對(duì)介質(zhì)的檢驗(yàn)。為此，材料區(qū)域尤其不連續(xù)地構(gòu)成，而是劃分成多個(gè)彼此間隔開的區(qū)段。
[0043]此外，材料區(qū)域改變載體的內(nèi)表面的機(jī)械特性，例如內(nèi)表面的粗糙度、硬度、化學(xué)耐抗性和/或粘附特性，這同樣能夠用于影響波的傳播。
[0044]特別地，用于阻抗匹配的材料區(qū)域以覆層的形式構(gòu)成在載體的內(nèi)側(cè)上，其中覆層例如也能夠被結(jié)構(gòu)化，以便產(chǎn)生或者加強(qiáng)在載體中所激發(fā)的聲波的引導(dǎo)。例如，在載體的內(nèi)側(cè)上的結(jié)構(gòu)化的覆層與在載體的背離介質(zhì)的一側(cè)(表面)上的如上面描述的那樣被結(jié)構(gòu)化的第一和第二材料區(qū)域共同作用，以便實(shí)現(xiàn)在載體中更好地引導(dǎo)表面音波。
[0045]本發(fā)明的第四角度涉及用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備尤其如上面描述的那樣構(gòu)成，其具有:載體，所述載體能夠與介質(zhì)形成接觸；設(shè)置在載體上的、用于在載體中激發(fā)聲波的至少一個(gè)發(fā)射器；設(shè)置在載體上的、用于接收聲波的至少一個(gè)接收器，所述聲波源自借助于發(fā)射器在載體中所激發(fā)的聲波；材料區(qū)域，所述材料區(qū)域至少部分地圍繞發(fā)射器和/或接收器延伸。
[0046]特別地，發(fā)射器為叉指換能器，其中材料區(qū)域構(gòu)成為，使得通過材料區(qū)域影響叉指換能器的共振振幅。例如，材料區(qū)域構(gòu)成為，使得叉指換能器在載體中激發(fā)表面聲波，其中所述叉指換能器在載體中僅激發(fā)聲學(xué)音波的不對(duì)稱的基模(并且不激發(fā)聲學(xué)音波的對(duì)稱的基模)或者相反地僅激發(fā)聲學(xué)音波的對(duì)稱的基模，但是不激聲學(xué)音波的不對(duì)稱的基模。類似地，能夠通過包圍接收器的材料區(qū)域的相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案而目的明確地檢測到期望的波模。
[0047]換言之，能夠通過包圍發(fā)射器的材料區(qū)域而目的明確地在載體中激發(fā)特定的聲學(xué)模式(例如特定的波類型)，其中尤其對(duì)稱模和不對(duì)稱模具有不同的傳播速度并且也能夠與介質(zhì)不同地相互作用。例如，在載體中的不對(duì)稱的基模的相互作用尤其與介質(zhì)的組成成分(例如材料混合物的材料的濃度)和溫度相關(guān)，使得在僅激發(fā)不對(duì)稱的基模時(shí)目的明確地檢驗(yàn)所述特性是可行的。此外，在僅激發(fā)不對(duì)稱的基模時(shí)尤其能夠在接收信號(hào)中注意到在載體內(nèi)側(cè)上的積聚、覆層或者結(jié)殼。而對(duì)稱基模與介質(zhì)的相互作用主要與載體的厚度和溫度相關(guān)。
[0048]也能夠考慮的是，材料區(qū)域構(gòu)成為，使得目的明確地影響在載體中所激發(fā)的波轉(zhuǎn)換成在介質(zhì)中的體音波和/或優(yōu)選地在載體中激發(fā)特定的波類型，如這在更上面所闡明的那樣。
[0049]此外，能夠通過圍繞發(fā)射器和/或接收器延伸的材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)射器和/或接收器的保護(hù)的提高。特別地，材料區(qū)域能夠保護(hù)發(fā)射器和/或接收器免受機(jī)械的和/或熱的負(fù)荷的影響(例如在焊接過程期間在使用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的情況下)或免受空氣濕度的影響。例如，保護(hù)到接收器或到發(fā)射器的電連接線路，使得其尤其也不能夠由于到設(shè)備的力作用(例如振動(dòng))而撕裂。
[0050]需要指出的是，材料區(qū)域當(dāng)然也能夠由不同的、例如還彼此間隔開的區(qū)域組成，其中例如第一材料區(qū)域包圍發(fā)射器并且單獨(dú)的第二材料區(qū)域包圍接收器。然而，也能夠考慮的是，連續(xù)的材料區(qū)域不僅圍繞發(fā)射器也圍繞接收器延伸。
[0051]本發(fā)明還涉及一種用于制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備的方法，其具有下述步驟:
[0052]-提供載體；
[0053]-將發(fā)射器設(shè)置在載體上以用于在載體中產(chǎn)生聲波；
[0054]-將接收器設(shè)置在載體上以用于接收在載體中傳播的聲波；
[0055]-將第一和第二材料區(qū)域設(shè)置在載體上，其中與第一材料區(qū)域相比，第二材料區(qū)域更強(qiáng)地吸收具有在載體中所激發(fā)的聲波的頻率的音波；和/或
[0056]-將材料區(qū)域設(shè)置在載體上，所述材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)為，使得造成在載體中所激發(fā)的波的引導(dǎo)和/或與位置相關(guān)地影響從載體中的聲波到介質(zhì)中的體音波的轉(zhuǎn)換或者從介質(zhì)中的體音波到載體中的聲波的轉(zhuǎn)換；和/或
[0057]-將材料區(qū)域設(shè)置在所述載體的在設(shè)備運(yùn)行時(shí)朝向介質(zhì)的表面上，其中材料區(qū)域具有聲阻抗，所述聲阻抗位于介質(zhì)的聲阻抗和載體的聲阻抗之間；和/或
[0058]-設(shè)置至少部分地圍繞發(fā)射器和/或接收器延伸的材料區(qū)域?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0059]下面，借助于實(shí)施例參考附圖詳細(xì)闡明本發(fā)明。附圖示出:
[0060]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備的剖面圖；
[0061]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的設(shè)備的剖面圖；以及
[0062]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的設(shè)備的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063]在圖1中示出的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備I具有呈空心圓柱體2形式的載體，其中空心圓柱體2的外套21的內(nèi)表面22對(duì)設(shè)備I的內(nèi)部體積23限界。在內(nèi)部體積23中存在呈液體3形式的介質(zhì)，其中能夠借助于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備I來確定液體3的化學(xué)的和/或物理的特性?？招膱A柱體2尤其由非壓電材料(例如金屬或者塑料)構(gòu)成。
[0064]空心圓柱體2的外套21至少分段地構(gòu)成為空心體，其中外套21的構(gòu)成所提及的內(nèi)表面22的第一(內(nèi)部)部段211朝向內(nèi)部體積23對(duì)空腔24限界，并且第二 (外部)部段211向外對(duì)空腔24限界。
[0065]在第一部段211的朝向空腔24的表面25上設(shè)置有發(fā)射器4，以用于在載體中激發(fā)表面聲波(箭頭A)，即在外套21的第一部段211中激發(fā)。
[0066]在部段211中激發(fā)的表面音波A的一部分耦合輸出到液體3中，即轉(zhuǎn)換成液體中的體音波B。所述體音波B的一部分又在內(nèi)部部段211的與例如在垂直于表面波的傳播方向A的方向上(即徑向地)與另外的、例如發(fā)射器4相對(duì)置的區(qū)域上被反射并且將另一部分向回轉(zhuǎn)換成載體中的聲學(xué)的表面音波A’。由接收器5檢測到所述表面音波A’，其中接收器5同樣設(shè)置在內(nèi)部部段211的背離空腔24的一側(cè)上。
[0067]但是，接收器5設(shè)置在內(nèi)部部段211的區(qū)域上，所述區(qū)域與內(nèi)部部段211的具有發(fā)射器4的區(qū)域徑向地相對(duì)置。然而也能夠考慮的是，接收器5定位在另外的部位上，例如使得其與發(fā)射器4位于共同的直線上的部位上，所述直線沿著空心圓柱體2的縱軸線延伸。此外能夠考慮的是，設(shè)有至少一個(gè)另外的接收器，所述接收器例如設(shè)置在內(nèi)部部段211的與發(fā)射器4相同的區(qū)域上，例如與發(fā)射器4至少近似地位于沿著空心圓柱體2的縱軸線的共同的直線上。
[0068]由發(fā)射器4在內(nèi)部部段211中激發(fā)的表面音波的一部分也以直接的路徑、即經(jīng)由空心圓柱體2的內(nèi)部部段211到達(dá)至接收器5，使得由接收器產(chǎn)生的信號(hào)既包含源自通過模向回轉(zhuǎn)換所形成的表面音波A’的份額，也包含在接收直接從發(fā)射器4傳播至接收器5的表面音波時(shí)產(chǎn)生的份額。接收信號(hào)的這兩個(gè)份額與液體3的特性相關(guān)，使得通過信號(hào)份額的評(píng)估能夠?qū)С鲆后w特性的結(jié)論。
[0069]在外套21的空腔24中存在呈第一澆鑄件61和第二澆鑄件62形式的第一和第二材料區(qū)域。第一澆鑄件61直接設(shè)置在外套21的第一部段211的表面25上，而第二澆鑄件62僅分段地與第一部段211接觸。否則，第二澆鑄件62在第一澆鑄件61和外套21的外部部段212之間延伸，其中所述第二澆鑄件在空心圓柱體2的第一部段211上還有側(cè)向地在背離第一澆鑄件61的一側(cè)上包圍發(fā)射器4和接收器6。第二澆鑄件62由與第一澆鑄件61相比更強(qiáng)地吸收具有所激發(fā)的表面音波A的頻率的音波的材料構(gòu)成。同時(shí)，第一澆鑄件61的材料與第二澆鑄件62的材料相比更強(qiáng)地反射表面音波A。
[0070]因此，第一和第二澆鑄件61、62尤其防止將表面音波A遠(yuǎn)離液體3不期望地耦合輸出(即耦合輸出到空腔24中)或者至少衰減沿著不期望的傳播路徑延伸到空腔2中的表面音波。此外，借助于第一和第二澆鑄件實(shí)現(xiàn)后側(cè)(即外部的表面25)的盡可能與外部影響(即設(shè)備I的周圍環(huán)境)無關(guān)的可復(fù)現(xiàn)的狀態(tài)。
[0071]此外，尤其能夠?qū)⒌谝粷茶T件61實(shí)現(xiàn)為，使得其如上面闡明的那樣(例如位置相關(guān)地)影響在空心圓柱體2中激發(fā)的聲波的轉(zhuǎn)換。也可行的是，第一澆鑄件61構(gòu)成為，使得在空心圓柱體2中優(yōu)選(例如僅僅)激發(fā)特定的波類型(例如所提及的表面波)。特別地，將第一澆鑄件實(shí)現(xiàn)為(通過材料和/或其尺寸的選擇)，使得所激發(fā)的波的類型與發(fā)射器的激發(fā)頻率相關(guān)。例如，第一澆鑄件61有助于以第一頻率范圍激發(fā)第一波類型(例如表面波)和以第二頻率范圍激發(fā)第二波類型(例如蠕波，所述蠕波主要或者僅僅在空心圓柱體2的壁中傳播)?！坝兄凇辈愋陀绕浔硎?通過第一澆鑄件61改變空心圓柱體2的有效的聲折射率，使得期望的波類型僅僅或者主要能夠在空心圓柱體中傳播。
[0072]因此例如可行的是，從(具有例如表面波激發(fā)的第一頻率范圍的)正常運(yùn)行到(具有例如蠕波激發(fā)的第二頻率范圍的)自檢運(yùn)行上的切換，其中以第二頻率范圍激發(fā)的蠕波僅在空心圓柱體中從發(fā)射器傳播至接收器，使得例如能夠檢測到空心圓柱體的損壞。
[0073]此外，第一和第二澆鑄件61、62能夠被結(jié)構(gòu)化(例如以條帶的形式構(gòu)成)，以便表面音波A表現(xiàn)出期望的傳播方向。在圖1的實(shí)施例中，第二澆鑄件62具有比第一澆鑄件61更大的厚度(垂直于載體2的第一部段211)。然而這不是強(qiáng)制的，也可行的是，第一澆鑄件具有比第二澆鑄件更大的厚度或者澆鑄件具有至少近似相等的厚度。
[0074]此外，澆鑄件61、62能夠分別連續(xù)地構(gòu)成，即連續(xù)地從空心圓柱體2的第一部段211的設(shè)置有發(fā)射器4的區(qū)域延伸至空心圓柱體2的第一部段211的具有接收器5的區(qū)域。特別地，第一和第二澆鑄件61、62沿著載體2的第一部段211的整個(gè)內(nèi)部環(huán)周延伸。當(dāng)然也可行的是，第一和/或第二澆鑄件61、62構(gòu)成多個(gè)彼此間隔開的子區(qū)域。
[0075]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的設(shè)備I的剖面圖。在此與圖1中示出的實(shí)施例相比，附加地將呈覆層63形式的另一材料區(qū)域設(shè)置在外套21的背部部段211的內(nèi)側(cè)22上。
[0076]覆層63具有聲阻抗，所述聲阻抗大于待檢驗(yàn)的液體3的聲阻抗并且小于空心圓柱體2的、即內(nèi)部部段211的聲阻抗。因此，通過覆層63實(shí)現(xiàn)將內(nèi)部部段211的阻抗匹配于液體3的阻抗。也能夠考慮的是，覆層63相應(yīng)于第一和第二澆鑄件61、62來結(jié)構(gòu)化，以便輔助表面音波A的引導(dǎo)。例如，覆層63具有多個(gè)彼此間隔開的子區(qū)域。然而也可行的是，覆層63連續(xù)地構(gòu)成并且例如至少隨子部段沿著空心圓柱體2的第一部段211的整個(gè)內(nèi)部環(huán)周延伸。
[0077]覆層63的厚度尤其小于空心圓柱體2的第一部段211的厚度并且尤其小于在第一部段211中激發(fā)的表面聲波A的波長。例如能夠考慮具有位于介質(zhì)的質(zhì)量密度和載體材料的質(zhì)量密度之間的質(zhì)量密度的材料作用覆層的材料。此外，能夠應(yīng)用音速度大于介質(zhì)中的音速度且小于載體材料中的音速度的材料。
[0078]需要指出的是，借助于覆層63顯然也能夠在不具有第一和第二澆鑄件61、62的情況下進(jìn)行阻抗匹配。[0079]圖3涉及本發(fā)明的另一實(shí)施例。據(jù)此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備I具有呈第三澆鑄件41的形式的另一材料區(qū)域，在所述第三澆鑄件中嵌入發(fā)射器4，其中第三澆鑄件41尤其沿著發(fā)射器4的背離空心圓柱體2的內(nèi)部部段211的一側(cè)延伸。
[0080]此外，材料區(qū)域包括第四澆鑄件51，在所述第四澆鑄件中嵌入接收器5，其中第四澆鑄件51類似于第三澆鑄件41沿著接收器5的背離空心圓柱體2的內(nèi)部部段211延伸。
[0081]第三和第四澆鑄件41、51 —方面用于保護(hù)發(fā)射器和接收器。此外，第三澆鑄件41和/或第四澆鑄件51構(gòu)成為，使得影響構(gòu)成為叉指換能器的發(fā)射器41的共振振幅和/或影響構(gòu)成為叉指換能器的接收器5的共振振幅。特別地，共振振幅能夠通過澆鑄件41或者通過澆鑄件51來影響，使得僅在內(nèi)部部段211中激發(fā)(或檢測到)不對(duì)稱的基?；蛘邇H激發(fā)(或檢測)對(duì)稱的基模。例如能夠應(yīng)用導(dǎo)電的澆注材料作為用于第三和/或第四澆鑄件的材料。
[0082]第三和第四澆鑄件41、51尤其能夠通過彼此間隔開的材料區(qū)域成形。然而也可行的是，連續(xù)的澆鑄件構(gòu)成第三和第四澆鑄件41、51。此外，當(dāng)然也不必強(qiáng)制地將第一和第二澆鑄件61、62設(shè)置在外套21的空腔24中。
[0083]此外需要指出的是，所描述的實(shí)施例的元件當(dāng)然也能夠相互組合應(yīng)用。因此例如可行的是，在圖3的實(shí)施例中也能夠附加地設(shè)有用于阻抗匹配的內(nèi)部覆層63。
[0084]附圖標(biāo)記列表
[0085]I 設(shè)備
[0086]2 空心圓柱體
[0087]3 液體
[0088]4 發(fā)射器
[0089]5 接收器
[0090]21 外套
[0091]22 內(nèi)表面
[0092]23 內(nèi)部體積
[0093]24 空腔
[0094]25 表面
[0095]41 第三澆鑄件
[0096]51 第四澆鑄件
[0097]61 第一澆鑄件
[0098]62 第二澆鑄件
[0099]63 覆層
[0100]211 第一部段
[0101]212 第二部段
[0102]A、A’表面聲波
[0103]B 體音波
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備具有: -載體(2)，所述載體能夠與所述介質(zhì)(3)形成接觸； -設(shè)置在所述載體(2)上的、用于在所述載體(2)中激發(fā)聲波(A)的至少一個(gè)發(fā)射器(4)； -用于設(shè)置在所述載體(2)上的、用于接收聲波(A，A’)的至少一個(gè)接收器(5)，所述聲波源自借助于所述發(fā)射器(4)在所述載體(2)中所激發(fā)的波(A)； -設(shè)置在所述載體(4)上的第一材料區(qū)域(61);以及 -設(shè)置在所述載體(4)上的第二材料區(qū)域(62)，其中將所述第二材料區(qū)域(62)實(shí)現(xiàn)為，使得其與所述第一材料區(qū)域(61)相比更強(qiáng)地吸收具有在所述載體(2)中所激發(fā)的所述聲波(A)的頻率的音波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一材料區(qū)域(61)實(shí)現(xiàn)為，使得其與所述第二材料區(qū)域(62)相比更強(qiáng)地反射具有在所述載體(2)中所激發(fā)的所述波(A)的頻率的音波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一材料區(qū)域(61)至少分段地在所述載體(2)和所述第二材料區(qū)域(62)之間延伸。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述載體(2)具有第一表面(22)，所述載體借助所述第一表面能夠與所述介質(zhì)(3)形成接觸，并且所述載體具有背離所述第一表面(22)的第二表面(25 )，其中所述發(fā)射器(4)以及所述第一材料區(qū)域和所述第二材料區(qū)域(61，62 )均設(shè)置在所述第二表面(22 )上。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一材料區(qū)域(61)具有第一材料，并且所述第二材料區(qū)域(62)具有第二材料，其中所述第二材料具有比所述第一材料更大的質(zhì)量密度。
6.一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備、尤其是根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備具有: -載體(2)，所述載體能夠與所述介質(zhì)(3)形成接觸； -設(shè)置在所述載體(2)上的、用于在所述載體(2)中激發(fā)聲波(A)的至少一個(gè)發(fā)射器(4)； -設(shè)置在所述載體(2)上的、用于接收聲波(A，A’)的至少一個(gè)接收器(5)，所述聲波源自借助于所述發(fā)射器(4)在所述載體(2)中激發(fā)的聲波(A);以及 -設(shè)置在所述載體(2)上的材料區(qū)域，所述材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)為，使得其引起在所述載體(2)中激發(fā)的所述波(A)的引導(dǎo)和/或與位置相關(guān)地影響從所述載體(2)中的聲波(A)到所述介質(zhì)(3)中的體音波(B)的轉(zhuǎn)換或者從所述介質(zhì)(3)中的體音波(B)到所述載體(2)中的聲波(A’)的轉(zhuǎn)換。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述材料區(qū)域具有第一材料區(qū)域和第二材料區(qū)域(61，62)，其中所述第二材料區(qū)域(62)與所述第一材料區(qū)域(61)相比更強(qiáng)地吸收具有在所述載體(2)中激發(fā)的所述聲波(A)的頻率的音波和/或所述第一材料區(qū)域(61)與所述第二材料區(qū)域(62)相比更強(qiáng)地反射具有在所述載體(2)中激發(fā)的所述聲波(A)的頻率的音波。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其特征在于，所述載體(2)能夠借助第一表面(22)與所述介質(zhì)(3)形成接觸，其中將所述材料區(qū)域的至少一部分設(shè)置在所述載體(2)的背離所述第一表面(22)的第二表面(25)上。
9.一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備、尤其是根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備具有: -載體(2)，所述載體能夠與所述介質(zhì)(3)形成接觸； -設(shè)置在所述載體(2)上的、用于在所述載體(2)中激發(fā)聲波(A)的至少一個(gè)發(fā)射器(4)； -設(shè)置在所述載體(2)上的、用于接收聲波(A，A’)的至少一個(gè)接收器(5)，所述聲波源自借助于所述發(fā)射器(4)在所述載體(2)中激發(fā)的聲波(A);以及 -設(shè)置在所述載體(2)上的至少一個(gè)材料區(qū)域(63)，所述材料區(qū)域設(shè)置在所述載體(2)的在所述設(shè)備(I)運(yùn)行時(shí)朝向所述介質(zhì)(3)的表面(22)上，其中所述材料區(qū)域(63)具有聲阻抗，所述聲阻抗位于所述介質(zhì)的聲阻抗和所述載體的聲阻抗之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述材料區(qū)域(63)的所述聲阻抗大于所述介質(zhì)(3)的所述聲阻抗并且小于所述載體(2)的所述聲阻抗。
11.一種用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備、尤其是根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的用于確定介質(zhì)特性的設(shè)備，所述設(shè)備具有: -載體(2)，所述載體能夠與所述介質(zhì)(3)形成接觸； -設(shè)置在所述載 體(2)上的、用于在所述載體(2)中激發(fā)聲波(A)的至少一個(gè)發(fā)射器(4)； -設(shè)置在所述載體(2)上的、用于接收聲波(A，A’)的至少一個(gè)接收器(5)，所述聲波源自借助于所述發(fā)射器(4 )在所述載體(2 )中激發(fā)的波(A);以及 -至少部分地圍繞所述發(fā)射器(4)和/或所述接收器(5)延伸的材料區(qū)域(41，51)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)射器(4)和/或所述接收器(5)以叉指換能器的形式構(gòu)成，其中所述材料區(qū)域(41，51)構(gòu)成為，使得通過所述材料區(qū)域(41，51)影響所述叉指換能器的共振振幅。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述材料區(qū)域(41，51)構(gòu)成為，使得以第一頻率范圍在所述載體(2)中激發(fā)第一波類型，并且以第二頻率范圍激發(fā)與所述第一波類型不同的第二波類型。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，以所述第一頻率范圍激發(fā)作為第一波類型的表面波，并且以所述第二頻率范圍激發(fā)縱向波。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述材料區(qū)域(41，51)構(gòu)成為，使得所述叉指換能器在所述載體中激發(fā)表面聲波，其中激發(fā)所述表面聲波(A)的不對(duì)稱的基模，并且不激發(fā)所述表面聲波(A)的對(duì)稱的基模。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至14之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述材料區(qū)域(41，51)構(gòu)成為，使得所述叉指換能器在所述載體中激發(fā)表面聲波，其中激發(fā)所述表面聲波(A)的對(duì)稱的基模，并且不激發(fā)所述表面聲波(A)的不對(duì)稱的基模。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于設(shè)有確定機(jī)構(gòu)，所述確定機(jī)構(gòu)用于根據(jù)在通過所述接收器(5)接收聲學(xué)的音波(A，A’)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)來確定所述介質(zhì)的特性。
18.一種用于制造根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備的方法，所述方法具有下述步驟: -提供載體(2); -將發(fā)射器(4)設(shè)置在所述載體(2)上以用于在所述載體(2)中產(chǎn)生聲波(A); -將接收器(5)設(shè)置在所述載體(2)上以用于接收在所述載體中傳播的聲波(A，A’)；-將第一和第二材料區(qū)域(61，62)設(shè)置在所述載體(2)上，其中所述第二材料區(qū)域(62)與所述第一材料區(qū)域(61)相比更強(qiáng)地吸收具有在所述載體(2)中激發(fā)的所述聲波(A)的頻率的音波；和/或 -將材料區(qū)域設(shè)置在所述載體(2)上，所述材料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)為，使得引起在所述載體(2)中激發(fā)的所述波(A)的引導(dǎo)和/或與位置相關(guān)地影響從所述載體(2)中的聲波(A)到所述介質(zhì)(3)中的體音波(B)的轉(zhuǎn)換或者從所述介質(zhì)(3)中的體音波(B)到所述載體(2)中的聲波(A’)的轉(zhuǎn)換；和/或 -將材料區(qū)域(63)設(shè)置在所述載體(2)的在所述設(shè)備(I)運(yùn)行時(shí)朝向所述介質(zhì)(3)的表面(22)上，其中所述材料區(qū)域(63)具有聲阻抗，所述聲阻抗位于所述介質(zhì)的聲阻抗和所述載體的聲阻抗之間；和/或 -設(shè)置至少部分地圍繞所述發(fā) 射器(4)和/或所述接收器(5)延伸的材料區(qū)域(41，51)。
【文檔編號(hào)】G01N29/02GK103547918SQ201280024286
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月19日
【發(fā)明者】亨德里克·福斯特曼, 邁克爾·蒙克 申請(qǐng)人:森薩克申公司