專利名稱：用于換能器的諧振結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及換能器和用于換能器的諧振結構，特別是包括一個可以驅動進入振動的第一件、和一個可以攜帶一個檢測元件且布置在要測量其性能的介質中的第二件的結構。
包括該一般特性的結構的各種換能器是已知的。在已知的布置中，第一和第二件用來反相振動，在借助于其支撐振動結構的連接處有通常零位移的振動節(jié)點。該種類的已知布置公開在US-A-3712117和GB-B-2281621中。在這些結構中，波節(jié)點通過基本上比第一和第二件柔軟的柔性裝置連接到一個機械基準上。理論上，在這些裝置中，可以是第一件的扭轉或橫向或縱向的振動的振幅和頻率，與攜帶插入在可以是氣體、液體或甚至固體的介質中的檢測元件的第二件的那些相同。
本發(fā)明的一個重要特征在于，在第一和第二件的聯(lián)結區(qū)與支撐之間的半剛性連接件的使用?！雱傂浴蛩憔哂酗@著影響、且最好控制第一和第二件的相對運動的剛度。最好提供比第一和第二件剛硬的節(jié)點。該種類的件能避免非常柔軟安裝件的缺點，該柔軟安裝件一般不能承受在許多工業(yè)用途中遇到的高壓力和力。況且，可以選擇連接件或裝置的剛度，以控制換能器形成其一部分的測量儀器的靈敏度。
本發(fā)明一個另外的特征在于，在最好形成第二件部分而可以具有獨立于上述連接件的功用的檢測元件內(nèi)封閉的凹腔件或諧振器的使用。這樣一種凹腔元件打算相對于檢測元件振動，最好由彈簧-質量結構構成，但不受其中插入檢測元件的介質的影響。這樣一種凹腔元件或輔助諧振器可以使換能器的特性能夠以簡單和可靠方式改變。
由如下描述將明白本發(fā)明的其他特征。


圖1表明根據(jù)本發(fā)明的諧振器結構，圖1A表明機械結構，而圖1B是結構的示意模型；圖2和3表明類似于圖1中所示的結構，但可以在不同的振動模型中操作，圖2A和3A表明結構，而圖2B和3B表明示意模型；圖4是曲線圖，表明振動的振幅隨頻率的變化；及圖5是振幅相對于頻率的曲線圖，表示連接件的效果。
圖1、2和3每個表示形成用于介質性質測量的換能器的部分、且包括一個由慣性質量11和一根軸21組成的第一件11、21的諧振器結構。其慣性質量最好由一個諸如攪棒12之類的檢測元件構成的第二件包括一根第二軸22，軸21和22具有一個連接區(qū)域，下文稱作聯(lián)結區(qū)13。聯(lián)結區(qū)本身由一個連接件支撐，在該例子中是一根固定到一個安裝基座10上的管23。
最好基座和連接件限定兩個不同的區(qū)域，一個在安裝件上方而另一個在其下面，從而例如檢測元件12可以布置在要測量的介質中，并且第一件(可以電磁驅動)能在空氣中振動。然而，其他配置是可能的。
在圖1、2和3之間的差別在于由相應結構經(jīng)歷不同的振動模式。圖1中表示的結構用來扭轉振動，第一件按由箭頭1所示扭轉，而下部件在相反方向按由箭頭1A所示扭轉。在圖2的結構中，諸件用來縱向振動，如在件11上方由雙頭箭頭舉例表示的那樣。在圖3中所示的結構中，諸件能用來橫向振動，如由雙頭箭頭3所示。驅動端能由各種手段、電磁力和場、壓電應力和應變、聲壓、或靜電力和場激勵和檢測。
該結構如以后將解釋的那樣也包括一個凹腔諧振器。在圖1中，檢測元件12是一根空心攪棒或圓柱，并且在檢測元件內(nèi)，與圍繞檢測元件的介質物理分離的是由一根軸24連接到檢測元件上的質量14。在圖1、2和3的每一個中，表示有一個類似的諧振器，它用來隨相應系統(tǒng)的其余部分的振動，以基本相同的模式、扭轉、縱向或橫向振動。
表明的換能器包括按圖1B中所示連接的三個且最好是四個獨立扭轉彈簧-質量系統(tǒng)。用于縱向振動和橫向振動的等效系統(tǒng)表示在圖2B和圖3中。為了方便起見，如下描述主要涉及扭轉振動。
如下描述使用符號，其中J1和K1是第一件(11、21)的慣性質量和剛度，J2和K2是第二件的慣性質量和剛度，等等。
由J2、K2和J4、K4形成的彈簧質量系統(tǒng)彼此同相，而系統(tǒng)J1、K1相位相差180°。如果對于每個系統(tǒng)適當?shù)剡x擇慣性質量和軸剛度K，那么在連接到剛度K3的元件上的慣性質量J3處形成一個最小振動點。當J1的振動頻率(ω1)等于J4的振動頻率(ω4)時，實現(xiàn)平衡節(jié)點條件。在數(shù)學上這表示為對于J1、K1ω1=K1/J1]]>或者振動的任何較高諧波模式。
對于J2、K2和J4、K4ω4=((α2(K1+K2)+K2-2αK2)/(α2J1+J2))]]>或者振動的任何較高諧波模式，其中α=K2／(K1+K2)。
用于節(jié)點的平衡條件由ω1=ω4給出，其中J是極坐標質量慣性矩，K是扭轉剛度，及ω是彈簧質量系統(tǒng)的諧振頻率。
對于圖2和3中的系統(tǒng)對于M1、K1ω1=K1/M1]]>或者振動的任何較高諧波模式。
對于M2、K2和M4、K4ω4=((α2(K1+K2)+K2-2αK2)/(α2M1+M2))]]>或者振動的任何較高諧波模式，其中α=K2／(K1+K2)。
用于節(jié)點的平衡條件是ω1=ω4，其中M是質量，K是剛度，及ω是彈簧質量系統(tǒng)的諧振頻率。
如上所述，其他的結構包括帶有通過沒有具體數(shù)值的高柔軟裝置的節(jié)點對機械地面連接的反相軸系統(tǒng)。這里描述的用途沒有這樣的高彈性點，因為這會產(chǎn)生結構上的虛弱位置，不能承受在許多工業(yè)用途中遇到的高壓力和力。而彈性點用一個特定半剛性件23代替。
該件23設計成容納在波節(jié)區(qū)域處的一些殘余運動。波節(jié)區(qū)域僅具有由于由流體對慣性質量的質量加載和由溫度造成的剛度變化引起的匹配頻率的平衡條件的失去而造成的近似定義，即ω1=ω4的條件在儀器的工作壽命中不能保證。
件23的剛性在嚴酷工業(yè)使用中時產(chǎn)生較高的結構強度和換能器元件對準的穩(wěn)定性。它也重要地控制由來自軸21的流體劃分的一側進入另一則軸21中產(chǎn)生的扭矩量，并且在這樣做時形成用來控制兩根軸的相對運動的裝置。這允許根據(jù)K3的值選擇儀器靈敏度。
對于最佳結果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當K3近似等于軸21的剛度K1的十倍時，提供結構強度和良好的靈敏度。使用充分焊接到系統(tǒng)的振動元件和傳感器安裝質量上的高強度不銹鋼，得到該剛度的結構件，這提供了高結構強度，并且完全焊接構造在衛(wèi)生用途(沒有材料截留)和在侵蝕環(huán)境(沒有可能腐蝕掉的密封，并且便于耐腐蝕合金的使用)下是有益的。
半剛性件23的存在改變傳感器從單個諧振波峰F1(圖5)至兩個諧振波峰F1和F2的主模態(tài)響應。一個波峰基本上由K1、K2和K4(和其相應質量)的希望相互作用形成，但第二波峰是顯著的K3剛度也與這些系統(tǒng)相互作用的結果。該第二波峰是多余的，并且容易通過濾波除去；其消除進一步通過增大傳感器安裝處的阻尼加強，通過對過程設備或一些其他固定件的連接而簡化。金屬連接而不是彈性連接的使用也是希望的，因為能把金屬選擇成具有比彈性體低得多的阻尼容量，并因而作為結果給出較高的Q諧振器。
通常提供限定檢測元件的單彈簧-質量組合。該元件暴露于流體的粘滯作用，流體的粘度增大引起傳感器阻尼的增大，這導致系統(tǒng)的振動效率減小。換能器的性能受振動效率或Q因子的強烈影響，因此存在性能隨粘度增大的下降(如圖4中的曲線41和42所示)。大Q因子給出高信噪比、高靈敏度和諧振頻率外機械振動的自然拒絕-提高對設備噪聲的免疫力。
新結構允許保持Q因子而與粘度無關，并且在非常高的流體粘度(數(shù)百萬厘泊)下能輸送極高的振動效率(大于5000)。為了實現(xiàn)這點，該結構使用安裝在檢測元件內(nèi)的彈簧-質量諧振器組合14、24。該諧振器不受周圍流體的阻尼影響，并且保持其扭轉應變能量而與流體條件無關。
通過選擇濕潤軸21和凹腔軸24的相對剛度，能控制對于檢測元件產(chǎn)生的振動度，由此限定傳感器的靈敏度。結果，傳感器能按標準結構制造，并且簡單地通過微小變化檢測元件12的剛度(即直徑)，調(diào)節(jié)成適于任何流體粘度范圍。這能發(fā)生而對節(jié)點處的平衡條件(等效頻率)沒有什么影響，因為在大多數(shù)情況下，諧振頻率將由J1、K1和J4、K4，而不是K2確定(只要K2＞＞K4)。換能器性能通過簡單調(diào)節(jié)一個尺寸的特征化導致提高的制造效率，并因而在工業(yè)上是有益的。
圖1中所示諧振器的驅動端11通過使用通常固定到軸上的鐵磁性桿施加扭矩被激勵成扭轉振動。離轉動中心某一距離定位的電磁鐵把一個電磁力施加到鐵磁性桿上，引起它產(chǎn)生角位移。以引起裝置以諧振頻率振動的彈簧-質量系統(tǒng)的諧振頻率，切換或調(diào)制至電磁鐵的電流。為了保證在該頻率下的連續(xù)振動，可以采用其中例如電磁拾波器檢測角運動的正反饋驅動。來自拾波器的信號被放大和相位調(diào)節(jié)，并且然后返回構成用于電磁鐵的驅動信號。
因而，通過使用驅動和拾波器組件在驅動軸的諧振頻率下振動驅動軸，使系統(tǒng)的檢測端執(zhí)行扭轉振動。
連接23形成能夠承受高流體壓力和溫度的顯著流體屏障。檢測元件可以具有固定到其端點上的不同端部質量或無論如何沒有質量的選擇。驅動端可以由各種手段、電磁力和場、壓電應力和應變、聲壓、或靜電力和場激勵和檢測。
在圖1所示的實施例中，所有元件由不銹鋼構造，其中需要對于過程流體的連接，換能器體能螺紋固定或焊接到諸如螺紋接頭或法蘭之類的常規(guī)工藝連接上。進一步的配置使用兩個驅動電磁鐵和兩個磁性拾波器，以加強扭轉振動和禁止軸的任何橫向振動。
驅動軸11最好使用固定到軸11的端部上的端部重量來平衡，以匹配檢測軸22的振動頻率。以這種方式，在希望位置良好地建立節(jié)點，并且使換能器的振動性能獨立于施加到組件上的任何外部應力。
如果檢測元件12、22浸在液體中，則角位移將引起穿過流體的剪切運動。如果流體是粘性的，則元件表面面積、角速度、和流體粘度的組合將引起對于振動系統(tǒng)的拖動力，并且將把能量丟給流體。能量損失的程度與檢測元件處由K2與K4的比值定義的允許振動量成比例。
Q或諧振波峰的銳度是對于振動系統(tǒng)在每個振動循環(huán)內(nèi)能量損失相對于輸入能量的指示。因為能量損失由粘度增大造成增大，所以系統(tǒng)的Q減小。
通過測量諧振波峰的半功率帶寬確定Q。然后定標測量的Q以給出常規(guī)單位的流體粘度讀數(shù)。
通過調(diào)節(jié)參數(shù)軸剛度、檢測元件的質量慣性矩及表面面積，對于最佳粘度范圍能選擇性地配置換能器。
如果檢測端質量用幾何學配置，從而流體在振動漂移期間移動，那么將有對于檢測元件的質量加載影響。由于系統(tǒng)的諧振頻率是端部元件的質量慣性矩的函數(shù)，所以諧振頻率將由流體的密度調(diào)制。因而流體的密度能與系統(tǒng)振動頻率相關。
通過使用常規(guī)溫度檢測技術測量換能器的諧振頻率和流體溫度、和對于隨溫度變化的軸的彈性施加校正因子，確定流體密度。
換能器的諧振頻率隨添加到軸端部的質量(只要這不增大剛度)而減小。頻率進一步隨添加質量遠離轉動軸的移動而減小，因為這增大極坐標的質量慣性矩。
如果端部元件由寬而薄的盤制成，例如具有60mm直徑和0．5mm厚度，則振動頻率變得對盤上的較小質量變化非常敏感。為了使由質量變化造成的較小頻率變化與由溫度造成的變化區(qū)分開，采用一個第二諧振器。由于兩個傳感器經(jīng)歷相同的溫度，但只有一個用于質量測量，所以來自每個換能器的頻率的相除將產(chǎn)生一個僅隨質量變化而獨立于溫度的商。
這樣一種儀器能夠檢測由放置在盤上的物質或盤本身的如下活動造成的質量變化(a)蒸發(fā)(b)離子化(c)霧化(d)吸收(e)沉積(f)磨損(g)任何其他引起盤或盤上放置的材料的質量變化的物理或化學作用。
對于化學或物理過程中氣相、液相或固相或這些相的任何組合的物質能進行這種測量。例如，有可能測量液態(tài)漆當它在其干燥過程中釋放氣態(tài)溶劑蒸汽時的質量損失，這提供液態(tài)漆的質量、氣態(tài)溶劑的質量、及剩余固態(tài)樹脂。
除質量測量之外，測量系統(tǒng)的Q以確定盤上盤材料的粘度或流變特性。這給出用來理解物理或化學過程中物質的動態(tài)特性的另外分析數(shù)據(jù)-例如從液態(tài)至固態(tài)的變化。
該裝置對于確定流體滴的粘度也是有用的，而不用把傳感器完全浸入在流體中。該質量平衡技術確定存在流體的量，并且把這與粘滯能量損失讀數(shù)相結合以確定流體粘度。
也能導出與物質‘表皮’深度有關的信息。表皮深度是流體靠近影響系統(tǒng)的添加質量的振動表面的量。它是密度、粘度和振動頻率的函數(shù)。隨流體變得較粘(更固態(tài))其表皮深度增大，例如，如果樹脂在測量表面上干燥，則其粘度增大，并因此由于表皮深度增大證明質量的明顯增大。
許多化學反應涉及反應中成分之間的質量交換。如果扭轉換能器的檢測表面由具體化學反應中的成分制成，那么能通過表面處質量的增大或減小監(jiān)視反應的進行。對于氣相、液相或固相中的反應物這種質量交換能發(fā)生。
這提供了由使用的表面化合物類型和其與其他化合物的反應確定的化學反應的連續(xù)在線測量。
通過把質量測量與諸如氧化還原電勢之類的反應指示物、和電解理論相結合，能確定反應的本質和未知反應物。例如，按照法拉第電解定律，電解沉積材料的質量是時間、電流、及原子質量和化合價的函數(shù)。借助于已知的質量、時間和電流，由原子重量／化合價估計能確定沉積的原子。
使用用適當化學成分制備的盤，該儀器能用于空氣和水污染物的連續(xù)在線測量。一直對該化學成分不敏感的第二基準諧振器的使用消除由溫度或污垢造成的頻率變化。
由放射衰變造成的質量變化能以類似的方式測量。
該儀器能借助于涂有生物化學基體的盤使用，該生物基體比如能加速細菌培養(yǎng)物的生長，從而能進行培養(yǎng)物生長速率的靈敏確定。能測量氣相、液相或固相的無機、有機或生物物質的質量或流變特性相對于時間的變化。
權利要求
1．一種包括一種諧振結構的換能器，該結構包括一個第一件(11、21)和一個第二件(12、22)，適于相對于一個中間聯(lián)結區(qū)(13)和一個支撐所述聯(lián)結區(qū)且具有顯著剛度的連接裝置(23)反相振動。
2．根據(jù)權利要求1所述的換能器，并且包括一個與連接裝置(23)相結合來分離兩個每個包含所述第一和第二件之一的不同區(qū)域的安裝裝置(10)。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的換能器，其中連接裝置(23)具有顯著大于所述第一件(11、21)的剛度。
4．根據(jù)權利要求2所述的換能器，其中連接裝置(23)包括一個從安裝裝置(10)延伸的金屬管狀件。
5．根據(jù)任何上述權利要求所述的換能器，其中第二件(12、22)包括一個檢測元件(12)。
6．根據(jù)權利要求5所述的換能器，其中一個能振動的諧振器(14、24)布置在檢測元件(12)內(nèi)。
全文摘要
一種換能器包括一種諧振結構,該結構包括一個延伸到一個連接質量或聯(lián)結區(qū)(13)的第一彈簧－質量系統(tǒng)(21、11),對于聯(lián)結區(qū)(13)連接一個包括一個檢測元件(12)的第二彈簧－質量系統(tǒng)(12、22)。兩個彈簧質量系統(tǒng)反相振動。聯(lián)結區(qū)(13)連接到通過一個安裝件(10)借助于一個半剛性連接件(23)提供的機械基準上,半剛性連接件(23)最好比第一件剛硬,并且能控制第一和第二彈簧一質量系統(tǒng)的相對運動。檢測元件包含由彈簧－質量系統(tǒng)構成的凹腔諧振器(24、14),它能用來調(diào)節(jié)換能器的特性。
文檔編號G01N11/10GK1292912SQ9980394
公開日2001年4月25日 申請日期1999年2月10日 優(yōu)先權日1998年2月12日
發(fā)明者約漢·格拉德·加拉格爾 申請人:海德拉運動有限公司