專利名稱：診斷傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用振動(dòng)諧振結(jié)構(gòu)來測量液體和固體的物理和化學(xué)性質(zhì)。
眾所周知，通過測量振動(dòng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)的一些特性或參數(shù)可以測得一種如固體或液體等介質(zhì)的密度或粘度的性質(zhì)。在美國專利5023560、5363691和5670709中說明了這一技術(shù)的一般狀態(tài)的一些例子。
本發(fā)明以測量機(jī)械諧振器的振幅、相位、或頻率的振動(dòng)為根據(jù)，而進(jìn)行如屬于諧振器部分或相連到諧振器上的梁組元的剛度變化所引起的諧振系統(tǒng)模態(tài)形狀的變化。
附圖簡介

圖1和圖2表示梁諧振器的各種諧振系統(tǒng)。
圖3和圖4表示各種諧振特性。
圖5至圖8表示各種梁諧振器。
圖9表示本發(fā)明的特定實(shí)施例(圖9a)及其諧振模態(tài)的特性(圖9b)。
圖10表示一諧振特性。
圖11表示本發(fā)明的另一實(shí)施例。
圖12表示本發(fā)明的又一實(shí)施例。
圖13表示圖12的實(shí)施例但以不同模態(tài)振動(dòng)。
圖14和圖15表示諧振器從“固緊-樞軸式”狀態(tài)到“固緊-自由式”狀態(tài)的變化。
詳細(xì)描述通過示例來描述各種實(shí)施例以說明本發(fā)明所應(yīng)用的原理。
圖1表示包括兩個(gè)基本平行的在其末端剛性相連的梁10a和10b的梁諧振器10。該梁在其末端的相連是堅(jiān)實(shí)的且使得形成在其末端的軛11和12具有高的剛性。因此在模態(tài)梁分析的術(shù)語中稱這種梁為“固緊式”。梁的振動(dòng)由箭頭Y表示。
這里稱作“固緊-固緊式”的這一諧振器，將以公式所給出的第一模式自然頻率而諧振f=22.3733√(EI/ML4)………………………(1)f=頻率E=楊氏模量I=質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量M=質(zhì)量/單位長度L=梁的長度如果在諧振器10一端的相連軛11基本上被退化，該梁則不再看作是固緊的，如同它們被允許繞其相連點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)一定度數(shù)。在模態(tài)梁分析的術(shù)語中這種軛接近“樞軸”條件。在圖2中表示這一情況，且“固緊-樞軸式”系統(tǒng)將以公式所給出的自然頻率而諧振。
f=15.4182√(EI/ML4)…………………(2)從公式(1)和(2)可以看出從完全固緊到完全樞軸的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了大約30％的頻率的變化。如果失去該軛相連，稱梁為“自由式”，且這一“固緊-自由式”系統(tǒng)將由公式所給出的自然頻率諧振f=3.516√(EI/ML4)…………………(3)從公式(2)和(3)可以看出從完全樞軸到完全自由的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了大約77％的頻率的變化。
除了頻率的改變，固緊-固緊式系統(tǒng)的模態(tài)形狀明顯不同于固緊-樞軸式設(shè)置的模態(tài)形狀。在圖3中表示在固緊式和樞軸式模式中的梁的位移的總圖。曲線30表示軛11和12是“固緊式”時(shí)梁在整個(gè)長度上最大位移的變化。曲線31表示軛11是“樞軸式”時(shí)的對應(yīng)的位移。圖4表示在固緊-固緊式狀態(tài)(曲線40)和固緊-樞軸式(曲線41)狀態(tài)下沿梁的相對應(yīng)位置的局部梁的彎曲變化。在固緊-樞軸式條件變換到固緊-自由式條件時(shí)還有模態(tài)變化。
一種如壓電裝置的響應(yīng)于局部梁的撓曲的傳感器，會(huì)以類似于圖4所示曲線的方式存在一響應(yīng)梁長度方向上的位置的信號。除了觀察到隨長度而變化的電壓振幅之外，也可以觀察到振動(dòng)信號沿長度上的極性變化、或相位變化。
總之，從固緊-固緊式狀態(tài)到固緊-樞軸式狀態(tài)，或從固緊-樞軸式狀態(tài)到固緊-自由式狀態(tài)的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了與梁上位置有關(guān)的振動(dòng)頻率、振幅和相位的變化。從固緊-固緊式到固緊-自由式的變化也隨著明顯地產(chǎn)生相似的結(jié)果。對響應(yīng)于影響諧振器模態(tài)分類(例如固緊-固緊式到固緊-樞軸式，固緊-樞軸式到固緊-自由式)的事件的這些參數(shù)的變化的測量構(gòu)成了本發(fā)明的基礎(chǔ)。
在存在如腐蝕或剝落的物質(zhì)退化或材料增加的應(yīng)用中，實(shí)際的物質(zhì)可以在梁軛上形成一剛性組元且因此有助于在固緊或樞軸時(shí)作為軛。
圖5表示二元梁系統(tǒng)的簡單實(shí)施例，同圖1所示相似。在形成軛11的梁的相連處的材料的減少產(chǎn)生了如圖5的13所示薄而少的堅(jiān)實(shí)相連且可以在諧振器的末端產(chǎn)生到樞軸狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。但是通常這一系統(tǒng)要求材料有明顯的減少以強(qiáng)化這種模態(tài)的變化。
圖6和圖7表示對該基本系統(tǒng)的改進(jìn)，在這兩種情況下，簡單相連軛11由箱部分(box section)15替代。該部分從空間分立組元14和14a獲得其剛性，且任一個(gè)組元14和14a部分小的厚度的減小都會(huì)強(qiáng)化剛度的基本改變-因此改變了該部分的剛性。
圖6特別地表示由組元14的縱向剛性進(jìn)行箱部分的剛性調(diào)整的系統(tǒng)。圖7表示組元14和14a間的分段16和17，如果它們的撓曲或縱向剛度改變的話則會(huì)明顯地影響部分15的剛性。
圖8表示圖6所示系統(tǒng)的改進(jìn)，且允許在端部使用“螺栓固緊式”部分剛體18替代組元14來相連梁，剛體18由分別在梁10a和10b上的螺栓19固緊。這形成了一選擇部分組元的材料、形狀和尺寸的便利的裝置以適合特殊的應(yīng)用。
圖9a表示根據(jù)圖8所示系統(tǒng)的特定的實(shí)施例，盡管在原理上前面所述的任一系統(tǒng)都可使用，但策略地設(shè)置了壓電傳感器以顯示特定位置處的梁的撓曲的幅值和相位。來自每個(gè)傳感器的信號直接涉及到由軛的固緊或樞軸狀態(tài)所形成的模態(tài)圖案。梁結(jié)構(gòu)的側(cè)面的振動(dòng)如箭頭Y所示。
在圖9a所示的系統(tǒng)中，壓電傳感器21、22和23安放在沿下部梁10b的內(nèi)表面的不同位置，以便在系統(tǒng)處于由安放在(在本實(shí)施例中)諧振梁系統(tǒng)的固緊末端的由驅(qū)動(dòng)壓電傳感器24所感應(yīng)的諧振模式時(shí)、得到在那些位置處的梁的位移的測量，這些測量是由相應(yīng)的壓電輸出電壓表示的。在這一系統(tǒng)中將傳感器23作為一參考，因?yàn)槠浔辉O(shè)置成接近于一節(jié)點(diǎn)，且諧振器的鄰近部分的位移是最小的。驅(qū)動(dòng)傳感器24可以有一來自一個(gè)或多個(gè)感測傳感器21、22和23的再生回授相連(在本領(lǐng)域是公知的)。電磁驅(qū)動(dòng)和感測傳感器可以用來代替壓電傳感器。也可以酌情使用其它形式的傳感器例如電容式、光學(xué)式或聲傳感器。
圖9b是壓電電壓與沿梁所測量的距離的關(guān)系圖，曲線90和91分別屬于在末端11處的固緊和樞軸的狀態(tài)。特定的壓電電壓(piezovoltage)由投影線21a、22a和23a(通過對應(yīng)的傳感器21、22和23)與曲線90和91的交點(diǎn)表示。
圖9所示的實(shí)施例包括一傳感器腔93，該腔包括一具有用于將傳感器通過管的封閉端穿過的線的封套94，O型環(huán)密封圈95和96設(shè)置在梁結(jié)構(gòu)10和管之間接近管的端部的位置，從箱部分15伸出的開口端。
圖10表示來自傳感器21和22(曲線101和102)的壓電電壓Va和Vb的變化和諧振頻率的變化(曲線103)，作為減小區(qū)段剛體18的剛性的一個(gè)函數(shù)。曲線101展示了相變化(在104顯示)。曲線100表示從傳感器23得到的基本恒定的壓電電壓Vref。通過測量壓電傳感器的信號隨時(shí)間的變化或改變可隨著監(jiān)測導(dǎo)致犧牲區(qū)段剛體材料的減小或增加的任何的物理、化學(xué)、或生物反應(yīng)的進(jìn)程。作為一例子，由鐵制成的區(qū)段剛體有其厚度，且因此其剛度減少，處于在隨時(shí)間腐蝕的環(huán)境中且Va和Vb或頻率的測量將指示腐蝕率。電化學(xué)系列的其它材料的選擇還可隨著展示了在合適的電解或反應(yīng)介質(zhì)中的同樣的腐蝕/沉積效果。
如下的信號處理技術(shù)可以用來放大結(jié)果。
(a)由Vb除以Va將得到依賴于區(qū)段剛性但獨(dú)立于信號或系統(tǒng)衰減的振幅的比率。
(b)由Vref除以Vb或Va將得到依賴于區(qū)段剛性但獨(dú)立于信號或系統(tǒng)衰減的振幅的比率。
(c)Vb的相位的測量將形成一指明特定部分剛性達(dá)到的點(diǎn)的簡單的方法。
(d)沿梁安裝的多個(gè)壓電傳感器可以用來監(jiān)測相位的變化以指明部分剛性改變進(jìn)程。
(e)如果該諧振器處于同其環(huán)境的完全溫度平衡狀態(tài)，則模態(tài)形狀表明部分剛性同溫度無關(guān)。
(f)頻率信號同溫度有一定的關(guān)系，所以同頻率信號的模態(tài)形狀的比較將產(chǎn)生(yield)來自單一諧振器溫度和部分剛度。
通常本發(fā)明能提供一力傳感器。根據(jù)圖11所示的移去的部分剛體(其它地類似圖9)在軛上壓力或拉力的外力111和112的存在，使得樞軸軛的剛性向固緊狀態(tài)變化。這些力可以是機(jī)械的、電子的或者磁的。
梁10a和10b的移動(dòng)將產(chǎn)生一速度且因此產(chǎn)生了流體內(nèi)的剪切行為。通過測量信號的能量損失或質(zhì)量系數(shù)Q可以確定粘性剪切損失，且因此而確定流體的粘度。同樣，可以從諧振信號的Q值確定所有相連到軛上的固體的衰減能力。
粘性流體的彈性可以從因流體的彈性模量導(dǎo)致的軛的加強(qiáng)的諧振頻率變化而得出。
圖12表示不同實(shí)施例的剖視圖，在其中梁結(jié)構(gòu)10包括內(nèi)筒梁120和外筒形梁121。該梁由相對厚的軛組元122在固緊端且由軛組元123在另一端相連。軛123的剛性的減小在該端的相連由“固緊式”改變?yōu)椤皹休S式”。
圖12包括安裝在外梁上的感測傳感器21、22和23和安裝在軛組元122上的驅(qū)動(dòng)傳感器24。梁結(jié)構(gòu)由管93包圍，管93有封套94和中間的O型密封圈95和96。
圖13同圖12相似但表示在長度模式(箭頭X)的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
作為另一個(gè)例子，圖14a和14b表示由圖14a所示的固緊-樞軸結(jié)構(gòu)10到一端的組元11消失時(shí)的固緊-自由條件的退化(degeneration)。該結(jié)構(gòu)在其另一端140是固緊的。
所有的諧振器可以在諧波模態(tài)的自然頻率工作。在比基礎(chǔ)模式高的模式下有在模態(tài)/頻率特性的成比例的位移。
權(quán)利要求
1．一種包括一機(jī)械式諧振器(10)的傳感器，該諧振器包括一其剛性至少部分地決定其諧振的模態(tài)形狀的組元(11、18、123)和在所述組元的剛性改變時(shí)用來測量該諧振的量度變化的機(jī)構(gòu)(21-23)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于所述諧振器(10)包括由至少所述組元相連的兩個(gè)梁(10a、10b、120、121)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的傳感器，其特征在于所述梁在或接近于一端處由一提供在所述一端處諧振器固緊條件的軛(12、122)相連，并由所述組元在或接近另一端處相連。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的傳感器，其特征在于包括所述梁的該諧振器包括一被配置來提高諧振器的靈敏度以改變所述組元厚度的箱部分。
5．根據(jù)前述的任一個(gè)權(quán)利要求的傳感器，其特征在于用來測量的所述機(jī)構(gòu)(21-23)包括至少兩個(gè)感測傳感器，其中一個(gè)位于或接近諧振的節(jié)點(diǎn)并提供一參考信號。
6．一種感測方法，包括測量諧振器部分的振幅或相位或頻率的變化，以作為由形成諧振器部分或相連到諧振器上的組元?jiǎng)傂缘母淖兯鸬闹C振器模態(tài)形狀改變的結(jié)果。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，被用來檢測所述組元的損耗或構(gòu)建。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，被用來測量流體的粘度。
9．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，被用來測量固體或流體的粘滯彈性。
10．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，被用來測量從諧振器模態(tài)形狀改變的力。
全文摘要
一種流體的力或者粘度或其它屬性的傳感器,包括一機(jī)械式諧振器(10),該諧振器(10)包括一其剛性至少部分地決定其諧振的模態(tài)形狀的組元(11、18、123),和在所述組元的剛性改變時(shí)用來測量諧振的量度變化的機(jī)構(gòu)(21－23)。該諧振器(10)可以包括在或接近于一端處由一提供諧振器固緊條件的軛(12、122)相連,且在或接近另一端處由所述組元相連的兩個(gè)梁(10a、10b、120、121)。
文檔編號G01L1/18GK1316054SQ99810349
公開日2001年10月3日 申請日期1999年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月15日
發(fā)明者約翰·格拉德·咖拉佛 申請人:海德拉運(yùn)動(dòng)有限公司