本發(fā)明的實(shí)施方式涉及流體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種聲學(xué)流體傳感器。

背景技術(shù)：

本部分旨在為權(quán)利要求書(shū)中陳述的本發(fā)明的實(shí)施方式提供背景或上下文。此處的描述不因?yàn)榘ㄔ诒静糠种芯统姓J(rèn)是現(xiàn)有技術(shù)。

快速及精確分析微量流體中的成分和參數(shù)在生化檢測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)前及未來(lái)傳感器領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。目前，流體傳感器主要分為物理參量提取和化學(xué)反應(yīng)兩種類(lèi)型。其中，物理參量提取型主要分為光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器兩種。光學(xué)傳感器是通過(guò)檢測(cè)流體的光學(xué)參量(如折射率、吸收率等)的變化量來(lái)分析流體的成分和參數(shù)，然而，由于光波穿透流體物質(zhì)的深度有限，光學(xué)傳感器在流體尤其是非透明流體的檢測(cè)一直受到極大的限制。聲學(xué)傳感器是通過(guò)檢測(cè)流體的聲學(xué)參量(如密度、波速、粘度等)的變化量來(lái)分析流體的成分和參數(shù)，聲波具有較好的穿透深度，對(duì)于非透明流體介質(zhì)的傳感，其具有光波不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

聲人工結(jié)構(gòu)(聲子晶體、聲超常材料等)是人工設(shè)計(jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其利用周期結(jié)構(gòu)中的布拉格散射、單體結(jié)構(gòu)中的局域共振等效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波、彈性波的靈活調(diào)控，是近年來(lái)物理學(xué)、材料學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。聲人工結(jié)構(gòu)的相關(guān)物理性質(zhì)可以“人工裁剪”，為新型功能器件的研制提供了堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)，高靈敏傳感器是聲人工結(jié)構(gòu)在新型功能器件的一個(gè)主要應(yīng)用方向。

目前已有人提出將聲子晶體缺陷態(tài)、周期圓孔聲子晶體板反常透射增強(qiáng)峰、聲子晶體共振腔模式等用于聲學(xué)流體傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的探測(cè)與傳感，但這種聲學(xué)流體傳感器存在品質(zhì)因子低、對(duì)流體密度的變化不敏感等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前已有的利用聲人工結(jié)構(gòu)形成的聲學(xué)流體傳感器在品質(zhì)因子和靈敏度方面表現(xiàn)不夠好等問(wèn)題，發(fā)明人在研究本發(fā)明的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這主要是現(xiàn)有的聲學(xué)流體傳感器所產(chǎn)生的局域場(chǎng)范圍的尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)，局域場(chǎng)的強(qiáng)度較弱等原因?qū)е?，因此需要進(jìn)一步研究更高品質(zhì)因子的聲人工結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高靈敏傳感器的研制。

在本上下文中，本發(fā)明的實(shí)施方式期望提供一種聲學(xué)流體傳感器。

在本發(fā)明實(shí)施方式的第一方面中，提供了一種聲學(xué)流體傳感器，包括：狹縫雙板聲學(xué)裝置、超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收裝置、計(jì)算處理裝置和實(shí)驗(yàn)容器；

所述狹縫雙板聲學(xué)裝置包括兩個(gè)基板以及設(shè)置于所述兩個(gè)基板的第一面的間隔相等距離的若干凸條，所述兩個(gè)基板的第二面平行且間隔一狹縫空間；所述狹縫空間用于裝盛待測(cè)流體或標(biāo)準(zhǔn)流體；所述第一面為所述第二面的背面；

所述實(shí)驗(yàn)容器用于裝盛環(huán)境流體；

所述狹縫雙板聲學(xué)裝置浸沒(méi)于所述環(huán)境流體中，且設(shè)置于所述超聲波發(fā)射裝置和所述超聲波接收裝置之間；

所述超聲波發(fā)射裝置向所述環(huán)境流體中發(fā)射超聲波，激勵(lì)所述狹縫雙板聲學(xué)裝置中的所述兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在所述狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式；

所述超聲波接收裝置接收經(jīng)過(guò)所述狹縫雙板聲學(xué)裝置后的超聲波；

所述計(jì)算處理裝置分別計(jì)算所述狹縫空間中裝盛待測(cè)流體和標(biāo)準(zhǔn)流體時(shí)接收到的超聲波的頻譜，并通過(guò)將所述狹縫空間中裝盛待測(cè)流體時(shí)接收到的超聲波的頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，與所述狹縫空間中裝盛標(biāo)準(zhǔn)流體時(shí)接收到的超聲波的頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度分別進(jìn)行比對(duì)，確定待測(cè)流體的參數(shù)。

借助于上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種聲學(xué)流體傳感器，該聲學(xué)流體傳感器具有由間隔狹縫的兩個(gè)基板組成的聲人工結(jié)構(gòu)(即狹縫雙板聲學(xué)裝置)，該聲學(xué)流體傳感器通過(guò)發(fā)射超聲波激勵(lì)狹縫雙板聲學(xué)裝置中的兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式，超聲波在經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置之后其頻譜中存在共振透射增強(qiáng)峰，由于該共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度會(huì)隨著狹縫雙板聲學(xué)裝置中裝盛的待測(cè)流體的密度和聲速度的變化發(fā)生明顯偏移，因此通過(guò)計(jì)算該共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，即可得出待測(cè)流體的相應(yīng)參數(shù)。試驗(yàn)表明，相比于現(xiàn)有的聲學(xué)流體傳感器，本發(fā)明提供的聲學(xué)流體傳感器具有僅需微量待測(cè)流體，具有更高的靈敏度和品質(zhì)因子，尤其對(duì)于密度與聲速度變化相反的流體，該聲學(xué)流體傳感器具有較高的靈敏度。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考附圖閱讀下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明示例性實(shí)施方式的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本發(fā)明的若干實(shí)施方式，其中：

圖1為本發(fā)明提供的聲學(xué)流體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為狹縫雙板聲學(xué)裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為理論計(jì)算出的按照基板型號(hào)制作的基板在標(biāo)準(zhǔn)流體中的A₀模式色散曲線(xiàn)；

圖4為實(shí)施例一的聲學(xué)流體傳感器的三維立體示意圖；

圖5為實(shí)施例一的聲學(xué)流體傳感器的俯視圖；

圖6為實(shí)施例一提供的待測(cè)流體的透射譜圖；

圖7為實(shí)施例一提供的不同摩爾濃度的待測(cè)流體與相應(yīng)透射峰的共振頻率變化關(guān)系圖；

在附圖中，相同或?qū)?yīng)的標(biāo)號(hào)表示相同或?qū)?yīng)的部分。

具體實(shí)施方式

下面將參考若干示例性實(shí)施方式來(lái)描述本發(fā)明的原理和精神。應(yīng)當(dāng)理解，給出這些實(shí)施方式僅僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，而并非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開(kāi)更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_(kāi)的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

在本文中，需要理解的是，所涉及的術(shù)語(yǔ)“待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體的參數(shù)”是指待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體的成分、密度、粘度、摩爾濃度等參數(shù)。此外，附圖中的任何元素?cái)?shù)量均用于示例而非限制，以及任何命名都僅用于區(qū)分，而不具有任何限制含義。

發(fā)明原理

在兩塊表面設(shè)有微擾結(jié)構(gòu)、且間隔狹縫的基板組成的聲人工結(jié)構(gòu)中注入流體，通過(guò)聲波的激發(fā)，每個(gè)基板的非泄露(non-leaky)A₀模式Lamb波在狹縫中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式，聲波在經(jīng)過(guò)這種聲人工結(jié)構(gòu)后，其頻譜中可觀察到共振透射增強(qiáng)峰，且這種共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度會(huì)隨著流體的密度和聲速度的變化(尤其是密度)發(fā)生明顯偏移。通過(guò)將待測(cè)流體(成分、密度、粘度、摩爾濃度等參數(shù)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)為未知)對(duì)應(yīng)的這種共振透射增強(qiáng)峰與若干種標(biāo)準(zhǔn)流體(成分、密度、粘度、摩爾濃度等參數(shù)均為已知)對(duì)應(yīng)的這種共振透射增強(qiáng)峰進(jìn)行對(duì)比，就可以倒推出待測(cè)流體的相應(yīng)參數(shù)。

由于這種聲人工結(jié)構(gòu)的強(qiáng)局域聲場(chǎng)局域在遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的狹縫空間，可以在亞波長(zhǎng)尺度增強(qiáng)聲波與物質(zhì)的相互作用，僅需在狹縫中注入微量的流體，即可獲得較高品質(zhì)因子的共振透射增強(qiáng)峰，且隨著流體的密度和聲速度的變化(尤其是密度)，該共振透射增強(qiáng)峰會(huì)出現(xiàn)明顯偏移，因此，這種聲人工結(jié)構(gòu)可用于制作高品質(zhì)因子和高靈敏度的聲學(xué)流體傳感器。

示例性設(shè)備

本發(fā)明提供一種聲學(xué)流體傳感器，如圖1所示，包括：狹縫雙板聲學(xué)裝置1(俯視圖)、超聲波發(fā)射裝置2、超聲波接收裝置3、計(jì)算處理裝置4和實(shí)驗(yàn)容器6。

狹縫雙板聲學(xué)裝置1包括兩個(gè)基板以及設(shè)置于所述兩個(gè)基板的正面的平行且間隔相等距離的若干凸條，這兩個(gè)基板的背面平行且間隔一狹縫空間。

狹縫空間用于裝盛待測(cè)流體或標(biāo)準(zhǔn)流體。其中，待測(cè)流體的參數(shù)為未知，標(biāo)準(zhǔn)流體的參數(shù)為已知。

實(shí)驗(yàn)容器6中裝盛有環(huán)境流體5(例如水)。

整個(gè)狹縫雙板聲學(xué)裝置1浸沒(méi)于環(huán)境流體5中，且設(shè)置于超聲波發(fā)射裝置2和超聲波接收裝置3之間。

超聲波發(fā)射裝置2用于向環(huán)境流體5中發(fā)射超聲波，激勵(lì)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在所述狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式。

超聲波接收裝置3接收經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1后的超聲波。

計(jì)算處理裝置4連接超聲波發(fā)射裝置2和超聲波接收裝置3，通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1之后的超聲波的頻譜，確定該頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，并通過(guò)將狹縫雙板聲學(xué)裝置1中裝盛待測(cè)流體時(shí)所確定的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度與狹縫雙板聲學(xué)裝置1中裝盛標(biāo)準(zhǔn)流體時(shí)所確定的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)結(jié)果相一致，則確定該待測(cè)流體的參數(shù)與該標(biāo)準(zhǔn)流體的參數(shù)相一致。

該聲學(xué)流體傳感器的工作原理是：在超聲波的激發(fā)下，狹縫雙板聲學(xué)裝置1的每個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域聲場(chǎng)，經(jīng)過(guò)該狹縫雙板聲學(xué)裝置1后的超聲波的頻譜中具有共振透射增強(qiáng)峰；將若干標(biāo)準(zhǔn)流體注入該狹縫空間中，可獲得每種標(biāo)準(zhǔn)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，再將待測(cè)流體注入該狹縫空間中，獲得待測(cè)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，最后，將待測(cè)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度與每種標(biāo)準(zhǔn)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)結(jié)果為一致時(shí)，依據(jù)該種標(biāo)準(zhǔn)流體的成分、密度、粘度、摩爾濃度等參數(shù)確定待測(cè)流體的相應(yīng)參數(shù)。

基于該聲學(xué)流體傳感器的工作原理可知，只有當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的狹縫空間時(shí)，兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在所述狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式，超聲波的頻譜中出現(xiàn)共振透射增強(qiáng)峰，該聲學(xué)流體傳感器才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。

在研究本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，超聲波的頻率、狹縫雙板聲學(xué)裝置1的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸、以及狹縫空間中所裝盛的流體的參數(shù)，是影響兩個(gè)基板能否形成非泄露A₀模式Lamb波并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域聲場(chǎng)的關(guān)鍵因素，也是影響超聲波經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的狹縫空間后，其頻譜中能否出現(xiàn)共振透射增強(qiáng)峰的關(guān)鍵因素。

本發(fā)明將可使得狹縫雙板聲學(xué)裝置1的兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域聲場(chǎng)，進(jìn)而使得該聲學(xué)流體傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)未知流體的成分和/或參數(shù)這一目的的超聲波的頻率，稱(chēng)為該聲學(xué)流體傳感器的工作頻率。也就是說(shuō)，當(dāng)超聲波的頻率是聲學(xué)流體傳感器的工作頻率時(shí)，狹縫雙板聲學(xué)裝置1的兩個(gè)基板的非泄露A₀模式Lamb波能夠在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域聲場(chǎng)，該超聲波經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的狹縫空間之后其頻譜中就會(huì)出現(xiàn)共振透射增強(qiáng)峰。

本發(fā)明提供的聲學(xué)流體傳感器具有由間隔狹縫的兩個(gè)基板形成的聲人工結(jié)構(gòu)，即狹縫雙板聲學(xué)裝置，該聲學(xué)流體傳感器通過(guò)發(fā)射超聲波激勵(lì)狹縫雙板聲學(xué)裝置中的兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式，超聲波在經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置之后其頻譜中存在共振透射增強(qiáng)峰，由于該共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度會(huì)隨著狹縫雙板聲學(xué)裝置中裝盛的待測(cè)流體的密度和聲速度的變化發(fā)生明顯偏移，因此通過(guò)計(jì)算該共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，即可得出待測(cè)流體的相應(yīng)參數(shù)。試驗(yàn)表明，相比于現(xiàn)有的聲學(xué)流體傳感器，本發(fā)明提供的聲學(xué)流體傳感器具有更高的靈敏度和品質(zhì)因子，尤其對(duì)于密度與聲速度變化相反的流體，該聲學(xué)流體傳感器具有較高的靈敏度。

具體實(shí)施時(shí)，狹縫雙板聲學(xué)裝置1可以有如下實(shí)施方式：

(1)基板的正面和背面可以是矩形、圓形、橢圓形或其他任意形狀。

(2)基板和凸條可以采用銅、鋁、鋼、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或玻璃等材料制作。

(3)若基板的端面抵接實(shí)驗(yàn)容器6的內(nèi)壁，這樣會(huì)將實(shí)驗(yàn)容器6的內(nèi)部空間隔斷成兩部分，以保證超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的所有超聲波都是經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1之后才被超聲波接收裝置接收到的。

若基板的端面沒(méi)有抵接實(shí)驗(yàn)容器6的內(nèi)壁，則超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的一部分超聲波就可能直接到達(dá)超聲波接收裝置，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1，這種情況下，可以通過(guò)設(shè)置超聲波接收裝置的接收頻率來(lái)屏蔽掉這部分超聲波。

(4)凸條的截面可以是三角形、矩形、菱形、半圓形或其他多邊形。

(5)凸條可以是直線(xiàn)形，也可以是曲線(xiàn)形，只需確保凸條的間距相等。

(6)凸條可以是以水平、豎直或傾斜的方向設(shè)置于基板上，只需確保凸條的間距相等。

(7)兩個(gè)基板之間的狹縫空間可以是封閉的，也可以是不封閉的。

當(dāng)狹縫空間封閉時(shí)(例如兩個(gè)基板的周緣連接)，待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體與環(huán)境流體之間是隔離的，選用環(huán)境流體時(shí)，無(wú)需考慮待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體與環(huán)境流體之間因接觸而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。

當(dāng)狹縫空間不封閉時(shí)，待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體與環(huán)境流體之間雖然不是隔離的，但由于狹縫雙板聲學(xué)裝置1的尺寸較小，存在毛細(xì)現(xiàn)象，所選用的環(huán)境流體只需保證不會(huì)與待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體因接觸而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)即可。

示例性方法

圖1所示的聲學(xué)流體傳感器中，超聲波的頻率、狹縫雙板聲學(xué)裝置1的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸、以及狹縫空間中所裝盛的流體的參數(shù)，是影響兩個(gè)基板能否形成非泄露A₀模式Lamb波并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域聲場(chǎng)的關(guān)鍵因素，為了使得聲學(xué)流體傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的，需要綜合考慮所使用的超聲波的頻率、狹縫空間中所裝盛的流體的參數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸。

其中，如圖2所示為狹縫雙板聲學(xué)裝置1的一些參數(shù)：基板的厚度h，狹縫的間距w，以及凸條的間距p、高度Sh和寬度Sw。此外，狹縫雙板聲學(xué)裝置1還具有如下參數(shù)：基板的密度ρ₂、縱波聲速c_L2和橫波聲速c_T2。

本發(fā)明提供圖1所示的聲學(xué)流體傳感器的制作方法，該方法至少包括如下制作狹縫雙板聲學(xué)裝置1的步驟：

步驟S1，設(shè)定聲學(xué)流體傳感器的工作頻率。

該步驟的目的是預(yù)先擬定聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，根據(jù)前述介紹，當(dāng)超聲波的頻率是聲學(xué)流體傳感器的工作頻率時(shí)，狹縫雙板聲學(xué)裝置1的兩個(gè)基板的非泄露A₀模式Lamb波能夠在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域聲場(chǎng)，該超聲波經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的狹縫空間之后其頻譜中就會(huì)出現(xiàn)共振透射增強(qiáng)峰。

具體實(shí)施時(shí)，該步驟可以設(shè)定一個(gè)頻率范圍，凡是在該頻率范圍中的頻率均屬于聲學(xué)流體傳感器的工作頻率。

步驟S2，設(shè)定若干標(biāo)準(zhǔn)流體，并確定每種標(biāo)準(zhǔn)流體的其密度和聲速。

該步驟的目的是預(yù)先擬定聲學(xué)流體傳感器的適用對(duì)象，根據(jù)前述介紹，待測(cè)流體的參數(shù)是通過(guò)將狹縫雙板聲學(xué)裝置1中裝盛待測(cè)流體時(shí)所確定的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度與裝盛各種標(biāo)準(zhǔn)流體時(shí)所確定的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度進(jìn)行比對(duì)來(lái)確定的，因此，該聲學(xué)流體傳感器的適用對(duì)象即為所有標(biāo)準(zhǔn)流體。

步驟S3，根據(jù)所述聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，以及每種標(biāo)準(zhǔn)流體的密度和聲速，確定所述聲學(xué)流體傳感器的狹縫雙板聲學(xué)裝置1的如下各項(xiàng)參數(shù)：基板的密度ρ₂、縱波聲速c_L2、橫波聲速c_T2和厚度h，狹縫的間距w，以及凸條的間距p、高度Sh和寬度Sw。

步驟S4，根據(jù)上述各項(xiàng)參數(shù)制作狹縫雙板聲學(xué)裝置1。

其中，步驟S3進(jìn)一步可以包括如下步驟：

步驟S31，提供若干基板型號(hào)，每個(gè)基板型號(hào)包括一密度數(shù)據(jù)、一縱波聲速數(shù)據(jù)、一橫波聲速數(shù)據(jù)和一厚度數(shù)據(jù)，計(jì)算按照每個(gè)基板型號(hào)制作的基板在每種標(biāo)準(zhǔn)流體中的A₀模式色散曲線(xiàn)，并根據(jù)計(jì)算出的A₀模式色散曲線(xiàn)，確定按照每個(gè)基板型號(hào)制作的基板在每種標(biāo)準(zhǔn)流體中產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波的最大頻率。

具體實(shí)施時(shí)，該步驟可以采用如下公式計(jì)算按照密度數(shù)據(jù)為ρ₂、縱波聲速數(shù)據(jù)為c_L2、橫波聲速數(shù)據(jù)為c_T2、厚度數(shù)據(jù)為h的基板型號(hào)制作的基板在標(biāo)準(zhǔn)流體中的A₀模式色散曲線(xiàn)：

Ψ_t-Ψ₀＝0

${\mathrm{\Ψ}}_t=4k^2{\mathrm{\σ}}_{L2}{\mathrm{\σ}}_{T2}\tanh ({\mathrm{\σ}}_{T2}h/2)-{(k^2+{\mathrm{\σ}}_{T2}^2)}^2\tanh ({\mathrm{\σ}}_{L2}h/2)$

${\mathrm{\Ψ}}_0=k_{T2}^4\frac{{\mathrm{\σ}}_{L2}}{{\mathrm{\σ}}_{L1}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}$

k＝ω/c

${\mathrm{\σ}}_{L2}=\sqrt{k^2-k_{L2}^2}$

${\mathrm{\σ}}_{T2}=\sqrt{k^2-k_{T2}^2}$

${\mathrm{\σ}}_{L1}=\sqrt{k^2-k_{L1}^2}$

k_L2＝ω/c_L2

k_T2＝ω/c_T2

k_L1＝ω/c_L1

其中，ω是聲學(xué)傳感器的工作頻率，c是A₀模式的聲速，k為A₀模式的波矢，c_L1為標(biāo)準(zhǔn)流體的聲速，c_L2和c_T2分別為基板的縱波聲速和橫波聲速，ρ₁為標(biāo)準(zhǔn)流體的密度，ρ₂為基板的密度，h為基板的厚度。

步驟S32，將按照每個(gè)基板型號(hào)制作的基板在每種標(biāo)準(zhǔn)流體中產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波的最大頻率，與所述聲學(xué)流體傳感器的工作頻率的最大值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果確定符合標(biāo)準(zhǔn)的基板型號(hào)，其中，按照符合標(biāo)準(zhǔn)的基板型號(hào)制作的基板在所有標(biāo)準(zhǔn)流體中產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波的最大頻率均大于或等于所述聲學(xué)流體傳感器的工作頻率的最大值。

如圖3所示，(a)為厚度h＝0.17p的玻璃基板在水中的色散曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)波矢k為凸條間距周期p的倒數(shù)的2π倍，縱坐標(biāo)ω表示聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，c_L1表示水的聲速。在該色散曲線(xiàn)中，玻璃板的A₀模式與水線(xiàn)的交點(diǎn)處的截止頻率即為產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波的最大頻率，超聲波的頻率只有在小于或等于該截止頻率時(shí)，狹縫雙板聲學(xué)裝置1的每個(gè)基板才能夠產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波，因此，如果該截止頻率大于或等于該聲學(xué)流體傳感器的工作頻率的最大值(即步驟S21所設(shè)定的頻率范圍的較大的邊界值)，則該基板的密度、縱波聲速、橫波聲速和厚度符合要求。

步驟S33，分別將符合標(biāo)準(zhǔn)的基板型號(hào)所包括的密度數(shù)據(jù)、縱波聲速數(shù)據(jù)、橫波聲速數(shù)據(jù)和厚度數(shù)據(jù)，確定為所述基板的密度ρ₂、縱波聲速c_L2、橫波聲速c_T2和厚度h。

步驟S34，根據(jù)基板的密度ρ₂、縱波聲速c_L2、橫波聲速c_T2和厚度h，以及該聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，確定狹縫雙板聲學(xué)裝置1中兩個(gè)基板的背面之間的狹縫的間距w。

具體的，該步驟是計(jì)算當(dāng)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的兩個(gè)基板在每種標(biāo)準(zhǔn)流體中產(chǎn)生的非泄露A₀模式Lamb波在所述狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)模式的色散曲線(xiàn)時(shí)，所需的狹縫的間距w。

具體實(shí)施時(shí)，該步驟可以采用如下方程計(jì)算狹縫的間距w：

(Ψ_t-Ψ₀)[Ψ_ctanh(σ_L1w/2)-Ψ₀]-(Ψ_c-Ψ₀)[-Ψ_ttanh(σ_L1w/2)+Ψ₀]＝0

${\mathrm{\Ψ}}_c=4k^2{\mathrm{\σ}}_{L2}{\mathrm{\σ}}_{T2}\coth ({\mathrm{\σ}}_{T2}w/2)-{(k^2+{\mathrm{\σ}}_{T2}^2)}^2\coth ({\mathrm{\σ}}_{L2}w/2)$

如圖3中，(b)、(c)、(d)分別表示厚度h＝0.17p的兩個(gè)玻璃板間隔不同的狹縫間距w時(shí)在水中的色散曲線(xiàn)，其中，(b)為狹縫間距w和凸條間距p之間為w＝0.05p時(shí)的色散曲線(xiàn)，(c)為狹縫間距w和凸條間距p之間為w＝0.1p時(shí)的色散曲線(xiàn)，(d)為狹縫間距w和凸條間距p之間為w＝10p時(shí)的色散曲線(xiàn)，其中，曲線(xiàn)S表示狹縫雙板聲學(xué)裝置1的兩個(gè)基板產(chǎn)生的非泄露A₀模式Lamb波在狹縫中共振耦合形成的對(duì)稱(chēng)模式。通過(guò)對(duì)比圖3的(b)、(c)、(d)可知，聲學(xué)流體傳感器的靈敏度越高，工作頻率越低，所需的狹縫間距w越小。

另外，狹縫間距w越小，狹縫空間的體積也越小，可檢測(cè)的待測(cè)流體的體積也越小，加工難度也會(huì)越大。

步驟S35，根據(jù)狹縫間距w，以及該聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，確定凸條的間距p。

通過(guò)對(duì)比圖3的(b)、(c)、(d)可知，聲學(xué)流體傳感器的工作頻率越低，所需的凸條間距p越大。

步驟S36，根據(jù)該聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，確定凸條的高度Sh和寬度Sw。

凸條作為微擾結(jié)構(gòu)，凸條的高度Sh和寬度Sw會(huì)影響穿過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置1的超聲波頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)。具體的，凸條的高度Sh和寬度Sw越大，對(duì)該聲學(xué)流體傳感器的工作頻率的擾動(dòng)越大。具體實(shí)施時(shí)，可以通過(guò)精細(xì)調(diào)整獲得理想的凸條尺寸。

除了以上制作狹縫雙板聲學(xué)裝置1的步驟以外，聲學(xué)流體傳感器的制作方法還包括如下步驟：

步驟S5，提供超聲波發(fā)射裝置2、超聲波接收裝置3和計(jì)算處理裝置4。

其中，該步驟需要根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的聲學(xué)流體傳感器的工作頻率，選擇超聲波發(fā)射裝置2和超聲波接收裝置3。

具體實(shí)施時(shí)，可根據(jù)步驟S1設(shè)定的頻率范圍，選擇能夠發(fā)射和接收該頻率范圍的超聲波的超聲波發(fā)射裝置2和超聲波接收裝置3。這樣，超聲波發(fā)射裝置2所發(fā)射的超聲波可激勵(lì)狹縫雙板聲學(xué)裝置1中的兩個(gè)基板形成非泄露A₀模式Lamb波并在所述狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)強(qiáng)局域模式。

該步驟所提供的計(jì)算處理裝置4應(yīng)具備如下功能：通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)所述狹縫雙板聲學(xué)裝置1之后的超聲波的頻譜，確定該頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，并通過(guò)將所述狹縫雙板聲學(xué)裝置1中裝盛待測(cè)流體時(shí)所確定的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度與所述狹縫雙板聲學(xué)裝置1中裝盛標(biāo)準(zhǔn)流體時(shí)所確定的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度進(jìn)行比對(duì)，確定待測(cè)流體的參數(shù)。

步驟S6，將狹縫雙板聲學(xué)裝置1浸沒(méi)于環(huán)境流體5中，并將所述狹縫雙板聲學(xué)裝置1設(shè)置于超聲波發(fā)射裝置2和超聲波接收裝置3之間。

步驟S7，令計(jì)算處理裝置4分別連接超聲波發(fā)射裝置2和超聲波接收裝置3。

實(shí)施例一

本實(shí)施例提供聲學(xué)流體傳感器的一種具體實(shí)施例。

圖4為該聲學(xué)流體傳感器的三維立體示意圖，圖5為該聲學(xué)流體傳感器的俯視圖。

如圖4、圖5所示，該聲學(xué)流體傳感器包括：實(shí)驗(yàn)容器100、超聲波發(fā)射裝置、狹縫雙板聲學(xué)裝置300、超聲波接收裝置、計(jì)算處理裝置500。

超聲波發(fā)射裝置包括信號(hào)發(fā)生器201、功率放大器202和超聲波發(fā)射探頭203。

超聲波接收裝置包括超聲波接收探頭401和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路402。

狹縫雙板聲學(xué)裝置300包括兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的基板301。基板301的形狀為長(zhǎng)方形，正面設(shè)置有平行且間隔相等距離的若干凸條302。兩個(gè)基板301的背面平行且間隔一狹縫，周緣通過(guò)密封條相連接，密封條上開(kāi)設(shè)有用于注入待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體的入口303和用于排出待測(cè)流體/標(biāo)準(zhǔn)流體的出口304。

實(shí)驗(yàn)容器100為長(zhǎng)方體型，超聲波發(fā)射探頭203和超聲波接收探頭401分別裝設(shè)于實(shí)驗(yàn)容器100相對(duì)的兩個(gè)側(cè)壁上。

狹縫雙板聲學(xué)裝置300設(shè)置于超聲波發(fā)射探頭203和超聲波接收探頭401之間。

實(shí)驗(yàn)容器100的另外兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁上設(shè)置有用于固定狹縫雙板聲學(xué)裝置300的卡槽。

實(shí)驗(yàn)容器100裝盛用于浸沒(méi)狹縫雙板聲學(xué)裝置300的環(huán)境流體，例如水。

利用本實(shí)施例提供的聲學(xué)流體傳感器對(duì)流體進(jìn)行檢測(cè)的工作過(guò)程及原理如下：

步驟1，準(zhǔn)備若干已知成分、密度、粘度、摩爾濃度等參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)流體。

步驟2，將標(biāo)準(zhǔn)流體注入狹縫雙板聲學(xué)裝置300中，開(kāi)啟超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收裝置和計(jì)算處理裝置500。

步驟3，超聲波發(fā)射裝置中的信號(hào)發(fā)生器201生成脈沖信號(hào)，功率放大器202對(duì)脈沖信號(hào)放大后激勵(lì)超聲波發(fā)射探頭203產(chǎn)生超聲波。

步驟4，超聲波通過(guò)實(shí)驗(yàn)容器100中的流體傳輸至狹縫雙板聲學(xué)裝置300，狹縫雙板聲學(xué)裝置300的兩個(gè)基板301產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波，并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)模式S，超聲波經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置300之后，被超聲波接收裝置的超聲波接收探頭401所接收，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路402將超聲波模擬量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

步驟5，計(jì)算處理裝置500將電信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，計(jì)算出經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置300之后的超聲波的頻譜，并確定該頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度。

步驟6，計(jì)算處理裝置500存儲(chǔ)每種標(biāo)準(zhǔn)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度。

步驟7，關(guān)閉超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收裝置和計(jì)算處理裝置500。

步驟8，將待測(cè)流體注入狹縫雙板聲學(xué)裝置300中，開(kāi)啟超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收裝置和計(jì)算處理裝置500。

步驟9，超聲波發(fā)射裝置中的信號(hào)發(fā)生器201生成脈沖信號(hào)，功率放大器202對(duì)脈沖信號(hào)放大后激勵(lì)超聲波發(fā)射探頭203產(chǎn)生超聲波。

步驟10，超聲波通過(guò)實(shí)驗(yàn)容器100中的流體傳輸至狹縫雙板聲學(xué)裝置300，狹縫雙板聲學(xué)裝置300的兩個(gè)基板301產(chǎn)生非泄露A₀模式Lamb波，并在狹縫空間中共振耦合形成對(duì)稱(chēng)模式S，超聲波經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置300之后，被超聲波接收裝置的超聲波接收探頭401所接收，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路402將超聲波模擬量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

步驟11，計(jì)算處理裝置500將電信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，計(jì)算出經(jīng)過(guò)狹縫雙板聲學(xué)裝置300之后的超聲波的頻譜，并確定該頻譜中共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度。

步驟12，計(jì)算處理裝置500將待測(cè)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，與已經(jīng)存儲(chǔ)的各種標(biāo)準(zhǔn)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比結(jié)果一致的標(biāo)準(zhǔn)流體的成分和參數(shù)確定為該待測(cè)流體的成分和參數(shù)。

由于步驟1-步驟7是用于獲取各種標(biāo)準(zhǔn)流體對(duì)應(yīng)的共振透射增強(qiáng)峰的頻點(diǎn)和幅度，并將這些數(shù)據(jù)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，具體應(yīng)用時(shí)，當(dāng)獲得判斷標(biāo)準(zhǔn)后，就無(wú)需在每次對(duì)待測(cè)流體檢測(cè)之前都執(zhí)行步驟1-步驟7了，隨著該聲學(xué)傳感器的使用，原來(lái)的判斷標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)出現(xiàn)判斷誤差，需要對(duì)其重新標(biāo)定，此時(shí)可再次執(zhí)行步驟1-步驟7獲得標(biāo)定后的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

下面具體舉例不同摩爾濃度的1-辛醇和三氯甲烷混合物在該聲學(xué)傳感器中的聲學(xué)特征。其中狹縫雙板聲學(xué)裝置幾何參量如下：p＝1mm,h＝0.17mm,sh＝sw＝0.13mm,w＝0.1mm。雙板材料為玻璃，雙板外側(cè)環(huán)境流體為水，雙板之間狹縫中為待測(cè)流體1-辛醇和三氯甲烷混合物。圖6為待測(cè)流體是摩爾濃度為0.17三氯甲烷和1-辛醇混合物的透射譜，從圖6中可以看出在頻率為0.80295MHz處有一個(gè)共振透射峰，其品質(zhì)因子Q＝f/Δf高達(dá)4091。圖7五角星為待測(cè)流體為不同摩爾濃度三氯甲烷與相應(yīng)透射峰的共振頻率變化關(guān)系，從圖7中可以看出當(dāng)摩爾濃度從0變化至1，其共振頻率從0.8226MHz變化至0.6629MHz，圖7內(nèi)小圖表示不同摩爾濃度三氯甲烷密度和聲速，可以看出隨著三氯甲烷摩爾濃度增大，其密度和聲速變化方向相反。為了進(jìn)一步探究該聲學(xué)傳感器的性能，我們研究了三種假想流體的共振頻率隨摩爾濃度的變化。這三種流體分別為：流體1：密度為保持為0.822g/cm³，聲速隨摩爾濃度變化與三氯甲烷隨摩爾濃度變化一致；流體2：聲速保持為1.348km/s，密度隨摩爾濃度變化與三氯甲烷隨摩爾濃度變化一致；流體3：密度隨摩爾濃度變化與三氯甲烷隨摩爾濃度變化一致，聲速隨摩爾濃度變化與三氯甲烷隨摩爾濃度變化相反。圖7分別展示了不同摩爾濃度的流體1，流體2，流體3與相應(yīng)透射峰的共振頻率變化關(guān)系，從圖7中可以看出不同摩爾濃度三氯甲烷的共振頻率偏移最大。因此該系統(tǒng)具有較高的靈敏度和品質(zhì)因子，且對(duì)密度與聲速度變化趨勢(shì)相反的流體比較敏感。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管在上文詳細(xì)描述中提及了超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收裝置、計(jì)算處理裝置的若干子裝置，但是這種劃分僅僅并非強(qiáng)制性的。實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，上文描述的兩個(gè)或更多子裝置的特征和功能可以在一個(gè)子裝置中具體化。反之，上文描述的一個(gè)子裝置的特征和功能可以進(jìn)一步劃分為由多個(gè)子裝置來(lái)具體化。

此外，盡管在說(shuō)明書(shū)中以特定順序描述了本發(fā)明方法的操作，但是，這并非要求或者暗示必須按照該特定順序來(lái)執(zhí)行這些操作，或是必須執(zhí)行全部所示的操作才能實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。附加地或備選地，可以省略某些步驟，將多個(gè)步驟合并為一個(gè)步驟執(zhí)行，和/或?qū)⒁粋€(gè)步驟分解為多個(gè)步驟執(zhí)行。

雖然已經(jīng)參考若干具體實(shí)施方式描述了本發(fā)明的精神和原理，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的具體實(shí)施方式，對(duì)各方面的劃分也不意味著這些方面中的特征不能組合以進(jìn)行受益，這種劃分僅是為了表述的方便。本發(fā)明旨在涵蓋所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)所包括的各種修改和等同布置。