專利名稱：超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于發(fā)射或接收超聲波的超聲波傳感器，更具體地講，涉及發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射機(jī)，或用于接收超聲波的超聲波接收機(jī)，或用于執(zhí)行它們中的任何一個(gè)或二者的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)在距離測(cè)量、物體檢測(cè)、流量測(cè)量、機(jī)器人控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。
作為第一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)，日本專利特許公告6-101880中描述了一種超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。以下參考圖10說(shuō)明常用的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作。
圖10是第一常用的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的剖視圖。在圖10中，參考標(biāo)號(hào)100代表超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)，101代表超聲波換能器，102代表聲匹配層，和103代表外殼。
在圖10的結(jié)構(gòu)中，首先說(shuō)明波發(fā)射過(guò)程中的操作。超聲波換能器101經(jīng)過(guò)信號(hào)線104接收從驅(qū)動(dòng)電路(發(fā)射機(jī)電路701)給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且一般產(chǎn)生頻率接近超聲波換能器101的諧振頻率的超聲波振動(dòng)。在超聲波換能器101產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)經(jīng)過(guò)聲匹配層102發(fā)送到超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)周圍的流體。聲匹配層103是由一種具有介于周圍流體的聲阻抗和超聲波換能器的聲阻抗之間的聲阻抗的材料構(gòu)成的，并且具有提高對(duì)周圍流體的波發(fā)射效率的功能。
一般將壓電陶瓷用作產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的超聲波換能器101，并且它的聲阻抗是，例如，大約30×106kg·m-2·s-1。當(dāng)周圍流體是空氣或類似氣體時(shí)，例如，空氣的聲阻抗是大約400kg·m-2·s-1，將聲匹配層102的聲阻抗設(shè)定到大約0.11×106kg·m-2·s-1，并且優(yōu)選將厚度設(shè)定到估計(jì)超聲波頻率的波長(zhǎng)的四分之一。
通常，為了形成具有介于壓電陶瓷與空氣的聲阻抗之間的聲阻抗的匹配層，使用一種通過(guò)將一種較低密度的材料(例如，玻璃氣球或塑料氣球)與樹脂固化而獲得的材料。
以下說(shuō)明超聲波接收過(guò)程中的操作。與超聲波發(fā)射相反，通過(guò)周圍流體傳播并且到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)100的超聲波經(jīng)過(guò)聲匹配層102發(fā)送到超聲波換能器101。超聲波換能器101將超聲波的動(dòng)態(tài)動(dòng)作轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且將信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線104發(fā)送到電處理部分(未示出)。
在上述的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)100的發(fā)射和接收操作過(guò)程中，超聲波的發(fā)射和接收是在超聲波換能器101和聲匹配層102層壓的方向上實(shí)施的，即，在聲匹配層102的垂直方向上進(jìn)行的。
作為第二常用的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)，例如，日本待審專利公開2000-304581中描了一種超聲波流量計(jì)形式的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。以下參考圖11說(shuō)明這種慣用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作。
圖11是第二常用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的剖視圖。在圖11中，104代表第一聲匹配層，和105代表第二聲匹配層。第一聲匹配層104具有層壓多個(gè)不同密度和聲速的材料片層(104a，104b，104c，…)，并且材料是以聲速大小遞降的順序?qū)訅旱慕Y(jié)構(gòu)。
以下說(shuō)明具有圖11的結(jié)構(gòu)的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的操作。在波發(fā)射過(guò)程中，超聲波換能器101通過(guò)從信號(hào)線(未示出)施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的超聲波傳播通過(guò)第一聲匹配層104(104a，104b，104c，…)傳播，并且進(jìn)入第二聲匹配層105。設(shè)定超聲波通過(guò)層壓第一聲匹配層104的每一層(104a，104b，104c，…)的時(shí)間，以便使它們相等，并且超聲波的波陣面在第一聲匹配層104與第二聲匹配層105之間的界面一致。也就是說(shuō)，波在第二聲匹配層105中以垂直于到第一匹配層104的界面的方向傳播。
傳播通過(guò)第二聲匹配層105的超聲波被第二聲匹配層105與周圍流體的界面之間的聲速差折射，并且以改變的方向輻射到周圍流體。
在波接收過(guò)程中，傳播通過(guò)周圍流體并且通過(guò)與波發(fā)射相反的過(guò)程到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)100的超聲波，在與第二聲匹配層105的界面被折射，進(jìn)入第二聲匹配層105，并且經(jīng)過(guò)第一聲匹配層104被超聲波換能器101轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在這種情況下，有選擇地接收了從波發(fā)射方向到達(dá)的聲波。
由于利用折射改變了聲波的方向，而把第二常用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)用于超聲波流量計(jì)時(shí)，可以將超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)與測(cè)量溝道的壁結(jié)合，因此，具有不會(huì)產(chǎn)生被測(cè)量的流體的流動(dòng)紊亂的優(yōu)點(diǎn)。
但是，存在著即使像第一常用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)那樣使用了低密度的匹配層，當(dāng)超聲波從壓電陶瓷之類的超聲波換能器傳播到空氣之類的氣體中時(shí)，也不可避免地發(fā)生傳播損失，和波發(fā)射及接收效率降低的問(wèn)題。難于使超聲波從固體有效地傳播到氣體的原因在于，氣體的聲阻抗大大低于固體的聲阻抗，并且即使插入了匹配層，也會(huì)在界面不利地產(chǎn)生超聲波的強(qiáng)烈反射。
此外，第二常用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)顯示的利用折射實(shí)現(xiàn)超聲波偏轉(zhuǎn)的類型的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)存在著這樣的問(wèn)題，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，由于偏轉(zhuǎn)角度造成的額外損失，產(chǎn)生的波發(fā)射和接收效率顯著降低的結(jié)果，使得它實(shí)際上不能使用。
因此，考慮到上述問(wèn)題作出了本發(fā)明，并且具有提供一種能夠偏轉(zhuǎn)超聲波和具有高的波發(fā)射和接收效率的高靈敏度超聲波傳感器的目的。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到上述目的，如下構(gòu)造本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于對(duì)充滿流體的周圍空間進(jìn)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；和填充在超聲波傳感器與周圍空間之間的空間中的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種對(duì)充滿流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；和布置在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑，
其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1、傳播介質(zhì)部分中的聲速C1、填充空間的流體的密度ρ2、和填充空間的流體中的聲速C2滿足表示為(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于對(duì)充滿流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；布置在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑；和與傳播介質(zhì)部分接觸布置的反射器，用于控制超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1、傳播介質(zhì)部分中的聲速C1、填充空間的流體的密度ρ2、和填充空間的流體中的聲速C2滿足表示為(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種超聲波流量計(jì)，包括流量測(cè)量部分，具有定義了要測(cè)量的流體的溝道的內(nèi)壁；至少一個(gè)提供在流量測(cè)量部分的內(nèi)壁封閉的溝道空間外部的超聲波換能器，用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收；和布置在超聲波換能器與溝道空間之間的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1、傳播介質(zhì)部分中的聲速C1、要測(cè)量的流體的密度ρ2、和要測(cè)量的流體中的聲速C2滿足表示為(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的第二十七個(gè)方面，提供了一種超聲波流量計(jì)包括流量測(cè)量部分，具有定義了氣體的溝道的內(nèi)壁；一對(duì)提供在由流量測(cè)量部分的內(nèi)壁封閉的溝道空間外部的超聲波換能器，用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收；和一對(duì)布置在一對(duì)超聲波換能器的每一個(gè)與溝道空間之間的傳播介質(zhì)部分，用于折射超聲波的傳播路徑，傳播介質(zhì)部分包括面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)，和面對(duì)溝道空間的第二表面區(qū)，
傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)在溝道空間中氣體的流速的方向上傾斜，和第二表面區(qū)近似平行于溝道空間中的氣體的流速方向。
根據(jù)本發(fā)明的第二十九個(gè)方面，提供了一種用于對(duì)充滿流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；和填充在超聲波換能器與周圍空間之間的空間中的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)，和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)傾斜。


通過(guò)以下參考附圖，結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，將對(duì)本發(fā)明的這些和其它方面以及特征有更清楚的理解，其中；圖1A是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的總體透視圖；圖1B是沿垂直于第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的長(zhǎng)度方向的，圖1A的B-B線的剖面圖；圖2是顯示超聲波在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的傳播介質(zhì)部分與其周圍空間中的流體之間的界面的折射的剖視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的總體透視圖；圖3B是沿第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的圓柱體中心線的剖視圖；圖3C是顯示第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的超聲波換能器的電極結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的透視圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的總體透視圖；圖4B是沿第三實(shí)施例的圖4A的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的圓柱體中心線的剖視圖；
圖5A是本發(fā)明第三實(shí)施例的另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的總體透視圖；圖5B是沿第三實(shí)施例的圖5A的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的圓柱體的中心線的剖視圖；圖6A是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的總體透視圖；圖6B是沿第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)圓柱體中心線的剖視圖；圖6C是包括第四實(shí)施例的另一個(gè)圓柱體超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的中心軸線的剖視圖；圖6D是顯示第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的超聲波換能器的電極表面的一個(gè)例子的透視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的局部剖開的透視圖；圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的總體視圖；圖9A，9B和9C是當(dāng)把根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)應(yīng)用到不同場(chǎng)合時(shí)的說(shuō)明圖；圖10是一個(gè)常用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的剖視圖；圖11是另一個(gè)常用超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的剖視圖；圖12A和12B是沿根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的長(zhǎng)度方向的剖視圖，和沿垂直于第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的長(zhǎng)度方向的圖12A的B-B線的剖視圖；圖13是顯示超聲波在傳播介質(zhì)部分與要測(cè)量的流體之間的界面上折射的視圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的剖視圖；圖15A，15B和15C是顯示根據(jù)本發(fā)明第八和第九實(shí)施例的修改例子的超聲波流量計(jì)的剖視圖；圖16A和16B是根據(jù)本發(fā)明第八和第九實(shí)施例的另一個(gè)修改例子的超聲波流量計(jì)的剖視圖；和圖17是一個(gè)常用超聲波流量計(jì)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在說(shuō)明本發(fā)明之前，應(yīng)當(dāng)注意，在所有附圖中相同的參考標(biāo)號(hào)代表相同的部件。
在下面參考

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之前，首先說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)方面。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于對(duì)充滿流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；和填充在超聲波換能器與周圍空間之間的空間中的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于對(duì)充滿流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；和布置在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1、傳播介質(zhì)部分中的聲速C1、填充空間的流體的密度ρ2、和填充空間的流體中的聲速C2滿足表示為(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了如第二方面中定義的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)傾斜。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于對(duì)充滿流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器；布置在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分，用于形成超聲波的傳播路徑；和與傳播介質(zhì)部分接觸布置的反射器，用于控制超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1、傳播介質(zhì)部分中的聲速C1、填充空間的流體的密度ρ2、和填充空間的流體中的聲速C2滿足表示為(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了如第四方面中定義的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)，面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)，和至少一個(gè)布置在超聲波的傳播路徑中第一表面區(qū)與第二表面區(qū)之間、并且與反射器接觸的第三表面區(qū)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)和第三表面區(qū)中的至少一個(gè)傾斜。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了如第一至第五方面中的任何一個(gè)定義的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，超聲波到傳播介質(zhì)部分與填充周圍空間的流體之間的界面的入射角θ1，填充周圍空間的流體的密度ρ2，和超聲波從界面到填充周圍空間的流體的進(jìn)入角θ2近似滿足表式為ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供了如第一至第五方面中的任何一個(gè)定義的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分是由無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)聚合物的干凝膠形成的。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供了如第六方面中定義的超聲波傳感器，其中使干凝膠的固體框部分是疏水的。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，提供了如第七方面中定義的超聲波傳感器，其中干凝膠的密度不大于500kg/m3，并且干凝膠的平均孔徑不大于100nm。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，提供了如第一至第五方面中的任何一個(gè)中定義的超聲波傳感器，包括提供在超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分之間的聲匹配層，用于將超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分聲匹配。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，提供了如第一至第五方面中的任何一個(gè)中定義的超聲波傳感器，其中填充周圍空間的流體是一種具有不大于10kg/m3的密度ρ2的氣體。
根據(jù)本發(fā)明的第十二方面，提供了如第一至第五方面中的任何一個(gè)中定義的超聲波傳感器，其中超聲波的發(fā)射或接收方向幾乎平行于第二表面區(qū)。
以下說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)以下參考附圖詳細(xì)說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中利用適當(dāng)?shù)牟牧现圃斓膫鞑ソ橘|(zhì)部分適當(dāng)?shù)卣凵涑暡ǎ敲闯暡梢詮墓腆w傳播到流體(具體地講，氣體)，而幾乎不會(huì)在界面造成損失的事實(shí)，從而得出了本發(fā)明。
在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中，將傳播介質(zhì)部分布置在超聲波換能器與填充周圍空間的流體之間，傳播介質(zhì)部分具有平行于超聲波換能器的振動(dòng)表面的平面(第一表面區(qū))，和與填充周圍空間的流體接觸的平面(第二表面區(qū))。應(yīng)當(dāng)注意，在本申請(qǐng)的說(shuō)明書和權(quán)利要求的范圍內(nèi)，術(shù)語(yǔ)“填充周圍空間的流體”的意思是，一種至少與第二表面區(qū)接觸的流體，并且不是必須表示充滿超聲波傳感器(例如，產(chǎn)生發(fā)射機(jī)-接收機(jī))的整個(gè)周圍的流體，而是表示填充了周圍的一部分的流體。
首先，參考圖1A和1B說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。圖1A示出了第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1的總體透視圖，圖1B示出了超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1沿圖1A的B-B’線的剖視圖。
圖1A和1B中所示的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1帶有超聲波換能器2，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波振動(dòng)或?qū)⒊暡ㄕ駝?dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；傳播介質(zhì)部分6，布置在周圍空間中的流體與超聲波換能器2之間，并且形成超聲波的傳播路徑；聲匹配層3，布置在超聲波換能器2與傳播介質(zhì)部分6之間，并且在超聲波換能器2與傳播介質(zhì)部分6之間提供聲阻抗的匹配；換能器外罩4，將超聲波換能器2容納在其中并且同時(shí)用作對(duì)超聲波換能器2的電傳導(dǎo)路徑；絕緣部分10，布置在端子板9x上，用于防止兩個(gè)對(duì)超聲波換能器2提供輸入和輸出信號(hào)的信號(hào)線5之間電短路；和容納兩個(gè)信號(hào)線5的一部分、超聲波換能器2、傳播介質(zhì)部分6、聲匹配層3、和換能器外罩4的外殼9。外殼9是由一個(gè)圓柱形側(cè)面部分9y以及固定到側(cè)面部分9y的下端部，并且起到外殼9的一部分的功能的端子板9x構(gòu)成的，圓柱形側(cè)面部分9y被切割掉一部分，從而相對(duì)于圖1A和1B中所示的軸線方向傾斜規(guī)定的角度。
傳播介質(zhì)部分6填充在由端子板9x和側(cè)面部分9y構(gòu)成的外殼9封閉的空間中，位于換能器外罩4的外部并且不是布置在空間內(nèi)的聲匹配層3，并且具有面對(duì)聲匹配層3及超聲波換能器2(注意，它直接面對(duì)聲匹配層3)的第一表面區(qū)7，和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)8。此外，傳播介質(zhì)部分6的第二表面區(qū)8相對(duì)于第一表面區(qū)7傾斜規(guī)定的角度，以便不與第一表面區(qū)7平行。在這種情況下，作為一個(gè)例子，規(guī)定的角度是一個(gè)大于0°小于90°的角度，優(yōu)選是小于80°。在第一實(shí)施例中，假設(shè)傳播介質(zhì)部分6的密度是ρ1，傳播介質(zhì)部分6的聲速是C1，填充周圍空間的的流體的密度是ρ2，和填充周圍空間的流體的聲速是C2，那么選擇傳播介質(zhì)部分6的材料，以便滿足表達(dá)式(1)示出的關(guān)系(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1 …(1)當(dāng)流體是空氣或類似氣體時(shí)，很難找到滿足上述條件的材料。原因是幾乎沒(méi)有聲速C1小于氣體聲速C2的固體材料。在第一實(shí)施例中，為了提供滿足上述條件的傳播介質(zhì)部分6，用無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)聚合物的干凝膠形成傳播介質(zhì)部分6。使第一實(shí)施例中使用的干凝膠的固體框部分是疏水的，并且其密度不大于500kg/m3。這種干凝膠是具有不大于100nm的平均孔徑的納米孔干凝膠(納米孔干凝膠)。
無(wú)機(jī)氧化物的干凝膠的固體框部分優(yōu)選至少具有氧化硅(二氧化硅)或氧化鋁(礬土)的成分。此外，有機(jī)聚合物的干凝膠的固體框部分可以是由一般熱固性樹脂或熱塑性樹脂構(gòu)成的。例如，可以使用聚氨基甲酸脂，聚脲，苯酚固化樹脂，聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯，等等。
在傳播介質(zhì)部分6是由具有，例如，二氧化硅的主成分的納米孔干凝膠構(gòu)成的情況下，如果ρ1是200kg/m3，那么聲速C1可以設(shè)定在大約100m/s至180m/s的范圍內(nèi)。當(dāng)填充周圍空間的流體是空氣的時(shí)候，由于空氣的密度ρ2是1.22kg/m3，并且聲速C2是340m/s，所以通過(guò)采用上述傳播介質(zhì)部分6，能夠同時(shí)滿足表示為ρ2＜ρ1和C1＜C2的關(guān)系，和滿足(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)表達(dá)的關(guān)系。當(dāng)測(cè)量天然氣之類的氣體時(shí)，傳播介質(zhì)部分6優(yōu)選具有從100至300kg/m3范圍的密度ρ1，和100至300m/s的聲速C1。
超聲波換能器2是一個(gè)壓電元件，并且能夠通過(guò)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)，和/或作為施加電信號(hào)的結(jié)果產(chǎn)生超聲波。壓電陶瓷適合用作壓電材料。如果希望控制諧振特性和降低機(jī)械Q-值，那么可以在外圍布置減震器。
第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1具有通過(guò)在傳播介質(zhì)部分6與超聲波換能器2之間提供聲匹配層3改進(jìn)作為超聲波發(fā)生源的超聲波換能器2與傳播介質(zhì)部分6之間的聲匹配的功能。
在傳播介質(zhì)部分6是由具有二氧化硅的主成分的納米孔干凝膠(聲阻抗3×104kg·m-2·s-1)構(gòu)成的，并且超聲波換能器1是由壓電陶瓷(聲阻抗30×106kg·m-2·s-1)構(gòu)成的情況下，通過(guò)采用從具有1×106kg·m-2·s-1左右的聲阻抗的材料產(chǎn)生的聲匹配層3，可以使超聲波能的傳播效率幾乎等于1，或?qū)嶋H不小于0.95。上述材料可以通過(guò)將中空玻璃球或多孔陶瓷與一種樹脂材料固化產(chǎn)生的復(fù)合材料提供。優(yōu)選將聲匹配層3的厚度設(shè)定到使用的超聲波的波長(zhǎng)的四分之一。
此外，在第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1中，將超聲波換能器2容納在換能器外罩4中，同時(shí)將超聲波換能器2粘接到換能器外罩4的上表面的內(nèi)側(cè)，并且把聲匹配層3粘接到換能器外罩4的上表面的外側(cè)，構(gòu)成一種層壓結(jié)構(gòu)。換能器外罩4優(yōu)選是由不銹鋼之類的導(dǎo)電金屬材料形成的，并且通過(guò)把厚度設(shè)定到不大于估計(jì)的超聲波的波長(zhǎng)的1/10，或優(yōu)選不大于1/20，可以將超聲波換能器2與聲匹配層3之間的聲匹配保持在滿意的狀態(tài)。
換能器外罩4通過(guò)電焊之類的處理方法粘結(jié)到外殼9的端子板9x，并且可以具有填充著干燥氮、氬之類的惰性氣體的密封結(jié)構(gòu)。利用上述布置，超聲波換能器2與外部空氣環(huán)境物理地絕緣，使得可靠性大大提高。此外，提供了一種電屏蔽結(jié)構(gòu)，從而即使在填充周圍空間的流體是天然氣之類的可燃流體時(shí)，也能夠確保高的安全性。
接下來(lái)，參考圖2詳細(xì)說(shuō)明超聲波從傳播介質(zhì)部分6傳播到填充周圍空間的流體的行為。
根據(jù)上述布置關(guān)系，超聲波從面對(duì)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1的振動(dòng)表面并且平行于振動(dòng)表面的第一表面區(qū)7的正交方向進(jìn)入。因此，超聲波沿相對(duì)于作為傳播介質(zhì)部分6與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8的正交方向傾斜的方向進(jìn)入。假設(shè)超聲波相對(duì)于第二表面區(qū)8的正交方向的入射角度是θ1(0°＜θ1＜90°)。此時(shí)，超聲波在作為傳播介質(zhì)部分6與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8折射，并以相對(duì)于正交方向的角度θ2(進(jìn)入角)(θ1＜θ2)進(jìn)入要測(cè)量的流體。
在第一實(shí)施例中，設(shè)定各種參數(shù)(ρ1，θ1和θ2)，以便在給出填充周圍空間的流體的密度ρ2時(shí)，幾乎滿足以下表達(dá)式(2)給出的關(guān)系。
(ρ2/ρ1)＝(cotθ2/cotθ1)…(2)利用上述設(shè)定，超聲波能從傳播介質(zhì)部分6到填充周圍空間的流體的傳播效率幾乎是1。此時(shí)，入射角θ1滿足以下表達(dá)式(3)表示的條件。
(cotθ1)2＝[(C1/C2)2-1]/[(ρ2/ρ1)2-(C1/C2)2](3)因此，如果確定了傳播介質(zhì)部分6的ρ1和C1以及填充周圍空間的流體的ρ2和C2，那么可以根據(jù)表達(dá)式(3)確定入射角θ1。此外，如果確定了入射角θ1，那么也能根據(jù)表達(dá)式(2)確定進(jìn)入角θ2。如果確定了入射角θ1和進(jìn)入角θ2，那么也可以確定傳播介質(zhì)部分6的第二表面區(qū)8的傾斜角度等等。
上述事實(shí)也可以應(yīng)用到接收通過(guò)填充周圍空間的流體傳播的超聲波的情況，因此，可以有選擇地接收從進(jìn)入角度θ2的方向到達(dá)的超聲波。
在第一實(shí)施例中，通過(guò)形成上述材料的傳播介質(zhì)部分6，可以將傳播介質(zhì)部分6的聲速C1設(shè)定到180m/s，并且可以把密度ρ1設(shè)定到200kg/m3。在周圍空間是充滿空氣的普通空間的情況下，空氣的密度ρ2是1.22kg/m3，并且聲速C2是340m/s。因此，根據(jù)表達(dá)式(2)和表達(dá)式(3)的關(guān)系，將入射角θ1設(shè)定到32°，和把進(jìn)入角θ2設(shè)定到89°是適當(dāng)?shù)?。由于進(jìn)入角度θ2接近90°，所以，在空氣中發(fā)射的超聲波幾乎平行于作為超聲波的傳輸表面的第二表面區(qū)8傳播。因此，在第一實(shí)施例中，發(fā)射和接收超聲波的方向指向圖1A的箭頭90的方向，如圖1A中所示，箭頭90的方向是沿包括第二表面區(qū)8的平面中的線段B-B’的方向。
根據(jù)第一實(shí)施例，在作為傳播介質(zhì)部分6與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8中幾乎沒(méi)有傳播損失，因此，在這個(gè)界面上不需要它們的聲阻抗彼此匹配。因此，從傳播介質(zhì)部分6的內(nèi)部發(fā)射的超聲波在作為傳播介質(zhì)部分6與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8折射，使得超聲波能夠在沿著包括第二表面區(qū)8的平面的方向偏轉(zhuǎn)。此外，在第二表面區(qū)8中幾乎沒(méi)有傳播損失，因此，可以提供具有高的波發(fā)射和接收效率的高靈敏度的超聲波傳感器。
應(yīng)當(dāng)注意，傳播介質(zhì)部分6不需要由密度ρ1和聲速C1在整體上是均勻的材料構(gòu)成，而是可以具有多種具有不同密度ρ1和聲速C1的材料層壓在一起的層壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)具有上述層壓結(jié)構(gòu)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超聲波不是直線傳播通過(guò)傳播介質(zhì)部分6的情況，但是，這不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。重要的一點(diǎn)是設(shè)定傳播介質(zhì)部分6的密度ρ1和聲速C1以及入射角度θ1，以在鄰接傳播介質(zhì)部分6與要測(cè)量的流體之間的界面的區(qū)域中滿足上述表達(dá)式。
接下來(lái)，說(shuō)明第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的操作。
首先，當(dāng)波發(fā)射到填充周圍空間的流體時(shí)，具有接近諧振頻率的(例如，大約100kHz至1MHz)頻率的ac電壓，脈沖電壓，或脈沖串電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)線5從同時(shí)用作圖9C中所示的驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)射機(jī)電路701施加到超聲波換能器2(圖9C中，81)。通過(guò)這種操作，在超聲波換能器2中激勵(lì)產(chǎn)生接近諧振頻率的振動(dòng)，并且振動(dòng)在幾乎是1的效率的條件下，通過(guò)換能器外罩4和聲匹配層3，作為超聲波輻射到傳播介質(zhì)部分6。通過(guò)傳播介質(zhì)部分6傳播的超聲波在作為傳播介質(zhì)部分6與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8折射，并以幾乎是1的效率的狀態(tài)，輻射到填充周圍空間的流體。
接下來(lái)，當(dāng)接收通過(guò)填充周圍空間的流體傳播并且到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1的超聲波時(shí)，相對(duì)于從波發(fā)射方向傳播的超聲波，接收路徑與波發(fā)射路徑相反。進(jìn)入發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1的超聲波在幾乎是1的效率的條件下到達(dá)超聲波換能器2，并且轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，和通過(guò)信號(hào)線5發(fā)送到外部電路(例如，接收機(jī)電路702)。
根據(jù)第一實(shí)施例，提供了表現(xiàn)出適當(dāng)密度ρ1和聲速C1的傳播介質(zhì)部分6，并且超聲波以適當(dāng)?shù)慕嵌日凵?。因此，使得物質(zhì)之間的界面上的傳播損失幾乎是零，使得能夠在滿意的信噪比完成流量測(cè)量。此外，根據(jù)第一實(shí)施例，通過(guò)利用傳播介質(zhì)部分6適當(dāng)?shù)卣凵涑暡?，使得能夠通過(guò)氣體(例如，氫氣等)發(fā)射和接收超聲波，并且在界面上幾乎不產(chǎn)生損失，這種超聲波的發(fā)射和接收在現(xiàn)有的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中是極難實(shí)現(xiàn)的，因此，使得能夠?qū)@些氣體進(jìn)行流量測(cè)量。
此外，在第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1中，從傳播介質(zhì)部分6發(fā)射的超聲波在作為傳播介質(zhì)部分6與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8上折射，并且使超聲波的發(fā)射和接收方向偏轉(zhuǎn)到沿包括第二表面區(qū)8的平面的方向。因此，例如，在流量計(jì)中，可以不用有關(guān)將發(fā)射機(jī)-接收機(jī)安裝到測(cè)量溝道中的突起和凹槽，并且可以構(gòu)造沒(méi)有流體紊流的流量計(jì)。此外，即使在流量計(jì)安裝時(shí)對(duì)準(zhǔn)具有水平部分的各種設(shè)備的水平面時(shí)，也能用流量計(jì)在水平方向上檢測(cè)物體。
(第二實(shí)施例)以下參考圖3A，3B和3C說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。圖3A是第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11的外觀的透視圖。圖3B是包括圓柱形超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11的中心軸的剖視圖。圖3C是顯示超聲波換能器12的電極結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的透視圖。第二實(shí)施例和第一實(shí)施例的相同的構(gòu)件使用了相同的參考標(biāo)號(hào)。傳播介質(zhì)部分6A相對(duì)于第一實(shí)施例的傳播介質(zhì)部分6，外殼9A對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例的外殼9。
以下，說(shuō)明第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11的特征點(diǎn)，并且不再對(duì)與第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1相同的部分以及上述對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行說(shuō)明。
在第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11中，圓柱形側(cè)面部分9z固定到盤形端子板9x，構(gòu)成了外殼9A，提供了一種對(duì)稱于環(huán)繞固定到端子板9x的中心的中心軸9a的軸線的結(jié)構(gòu)。因此，將布置在外殼9A的盤形端子板9x上的超聲波換能器12和聲匹配層13構(gòu)造成圓環(huán)形。此外，進(jìn)一步提供了一個(gè)作為外殼9A的一部分并且其中心部分連接到中心軸9a的盤形保護(hù)部分15，以保護(hù)第二表面區(qū)8。在外殼9A與保護(hù)部分15之間提供有一個(gè)圓環(huán)形開口14，并且在箭頭90A的方向上，通過(guò)開口14發(fā)射和接收超聲波。一個(gè)位于外殼9A內(nèi)部并且不是超聲波換能器12和聲匹配層13的空間幾乎被傳播介質(zhì)部分6A充滿。此外，傳播介質(zhì)部分6A具有面對(duì)聲匹配層13和超聲波換能器12的第一表面區(qū)7(注意，第一表面區(qū)7直接面對(duì)聲匹配層13)，和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)8。此外，傳播介質(zhì)部分6A的第二表面區(qū)8相對(duì)于中心軸9a以規(guī)定的角度從周邊向中心一側(cè)近似均勻地傾斜，使得第二表面區(qū)8不平行于第一表面區(qū)7。
在第二實(shí)施例中，超聲波的具體發(fā)射和接收是以類似于第一實(shí)施例的高效率進(jìn)行的，從而可以產(chǎn)生與第一實(shí)施例相同的效果。與第一實(shí)施例的差別在于，由于超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11具有對(duì)稱于中心軸9a的結(jié)構(gòu)，所以能夠取得環(huán)繞中心軸9a的全向波發(fā)射和接收。當(dāng)周圍空間充滿氣體時(shí)，波發(fā)射和接收幾乎是水平的，并且可以應(yīng)用到全向物體感測(cè)，等等。
圖3C示出了超聲波換能器12的電極結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子，并且參考標(biāo)號(hào)16代表構(gòu)造在電極表面上的分段電極部分。通過(guò)如圖3C中所示的分段電極部分16，可以控制振動(dòng)產(chǎn)生部分。因此，用超聲波在圓周方向進(jìn)行掃描成為可能，并且可以應(yīng)用到以規(guī)定的方向感測(cè)物體，等等。
允許在形成在前和后側(cè)的電極部分16的至少一個(gè)表面上進(jìn)行電極部分的分割。此外，通過(guò)分割換能器12本身布置超聲波換能器12也能獲得相同的效果。盡管在圖3C中電極部分16的分割數(shù)量是四個(gè)，但是分割的數(shù)量是任意的，并且沒(méi)有必要提供相同的形狀或?qū)ΨQ的形狀。
(第三實(shí)施例)以下參考圖4A和4B以及圖5A和5B說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。圖4A示出了第三實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)21的外觀的透視圖。圖4B示出了圓柱形超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)21的包括器中心軸線的剖視圖。圖5A示出了第三實(shí)施例的另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)31的外觀的透視圖。圖5B示出了圓柱形超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)31的包括器中心軸9b的剖視圖。第三實(shí)施例與上述第一和第二實(shí)施例的相同的構(gòu)件使用了相同的參考標(biāo)號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，傳播介質(zhì)部分6B和6C對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例的傳播介質(zhì)部分6或6A，并且外殼9B和9C對(duì)應(yīng)于上述實(shí)施例的外殼9或9A。
以下說(shuō)明第三實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)21和超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)31的特征點(diǎn)，并且不再對(duì)與第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1和第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11相同的部分以及上述對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行說(shuō)明。
在第三實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)21的外殼9B中，如圖4A和4B中所示，端子板9x固定到圓柱形側(cè)面部分9g的下端，和中心部分具有圓形開口24的盤形上板9h固定到側(cè)部分9g的上端，從而外殼9B是環(huán)繞虛擬中心軸，對(duì)稱于該軸線構(gòu)成的。固定到外殼9B的側(cè)面部分9g的內(nèi)表面的超聲波換能器22和聲匹配層23被構(gòu)成為圓柱形。此外，將傳播介質(zhì)部分6B容納和布置在外殼9B中，使得傳播介質(zhì)部分6B不向外殼9B的盤形上板9b的中心開口24的內(nèi)部突出，以通過(guò)外殼9B的整體保護(hù)第二表面區(qū)8，并且通過(guò)外殼9B的上板9b的中心開口24在箭頭90B的方向上執(zhí)行超聲波的發(fā)射和接收。也就是說(shuō)，用傳播介質(zhì)部分6B填滿了位于外殼9B的內(nèi)部并且不是超聲波換能器22、聲匹配層24、以及中心部分的空間。此外，傳播介質(zhì)部分6B具有面對(duì)聲匹配層23和超聲波換能器22的第一表面區(qū)7(注意，第一表面區(qū)7直接面對(duì)聲匹配層23)，和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)8(在圖4B中，第二表面區(qū)8面對(duì)中心部分中的空間)。此外，傳播介質(zhì)部分6B的第二表面區(qū)8以規(guī)定的角度傾斜，形成一個(gè)圓錐表面，使得第二表面區(qū)8相對(duì)于中心軸線從上端到下端大致均勻地?cái)U(kuò)大，并且不與第一表面區(qū)7平行。
另一方面，如圖5A和5B中所示，在第三實(shí)施例另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)31的外殼9C中，端子板9x固定到圓柱形側(cè)面部分35的下端，并且一個(gè)盤形上板9i的中心部分固定到固定到端子板9x的中心部分的中心軸9b，從而使外殼9C成為環(huán)繞中心軸9b的軸線的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。環(huán)繞中心軸9b固定的超聲波換能器32和聲匹配層33是圓柱形構(gòu)造。此外，傳播介質(zhì)部分6C容納和布置在外殼9C中，使得傳播介質(zhì)部分6C不突出到外殼9C的上板9i的周邊之外，以通過(guò)作為固定到外殼9C的端子板9x的圓柱形側(cè)面部分的保護(hù)部分35，保護(hù)第二表面區(qū)8。在外殼9C與保護(hù)部分35之間提供有一個(gè)圓環(huán)形開口34，并且通過(guò)開口34在箭頭90C的方向上執(zhí)行超聲波的發(fā)射和接收。也就是說(shuō)，用傳播介質(zhì)部分6C填充位于外殼9C內(nèi)部并且不是超聲波換能器32、聲匹配層33、和周邊部分的空間。此外，傳播介質(zhì)部分6C具有面對(duì)聲匹配層33和超聲波換能器32的第一表面區(qū)7(注意，第一表面區(qū)7直接面對(duì)聲匹配層33)，和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)8(在圖5B中，第二表面區(qū)8面對(duì)周邊部分中的空間)。此外，傳播介質(zhì)部分6C的第二表面區(qū)8以規(guī)定的角度傾斜，形成一個(gè)錐形面，使得第二表面區(qū)8相對(duì)于中心軸線從下到上大致均勻地?cái)U(kuò)大，并且不與第一表面區(qū)7平行。
在第三實(shí)施例中，超聲波的具體發(fā)射和接收是以與第一和第二實(shí)施例相同的高效率進(jìn)行的，并且可以產(chǎn)生與第一和第二實(shí)施例相同的效果。與第二實(shí)施例的差別在于，超聲波的發(fā)射和接收是在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)21和31的前向方向上(圖4B和5B中向上的方向)進(jìn)行的，并且可以應(yīng)用到具體的普通超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。
(第四實(shí)施例)以下參考圖6A，6B，6C和6D說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。圖6A示出了第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41和超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51的外觀的透視圖。圖6B是包括其中心軸的圓柱形超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41的剖視圖。圖6C是第四實(shí)施例的包括其中心軸的另一個(gè)圓柱形超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51的剖視圖。圖6D示出了第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的超聲波換能器42和52的電極表面的一個(gè)例子的透視圖。第四以及第一至第三實(shí)施例中相同的構(gòu)件使用了相同的參考標(biāo)號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，傳播介質(zhì)部分6D和6E對(duì)應(yīng)于以前的實(shí)施例的傳播介質(zhì)部分6，6A，等等。外殼9D和9E對(duì)應(yīng)于以前的實(shí)施例的外殼9，9A，等等。
以下說(shuō)明第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41和超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41的特征點(diǎn)，并且不再對(duì)那些與第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1和第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11和21相同的部分以及上述對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行說(shuō)明。
在第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41的外殼9D中，如圖6A和6B中所示，端子板9x固定到圓柱形側(cè)面部分9g的下端，并且截頭圓錐形的反射器44固定到端子板9x的中心部分，從而使得外殼9D具有環(huán)繞反射器44的中心軸線對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。固定到外殼9D的側(cè)面部分9g和端子板9x的內(nèi)表面的超聲波換能器42和聲匹配層43是圓柱形的，并且聲匹配層43布置在超聲波換能器42的內(nèi)側(cè)。此外，傳播介質(zhì)部分6D容納和布置在外殼9D內(nèi)，使得傳播介質(zhì)部分6D不會(huì)從外殼9D的反射器44的上端表面以及側(cè)面部分9g的上端表面突出。此外，傳播介質(zhì)部分6D具有平行于超聲波換能器42的振動(dòng)表面的第一表面區(qū)7，和與填充周圍空間的流體接觸的第二表面區(qū)8，并且通過(guò)第三表面區(qū)45與鄰接傳播介質(zhì)部分6D提供的反射器44接觸。
反射器44是由不銹鋼之類的金屬材料構(gòu)成的，并且當(dāng)傳播介質(zhì)部分6是由具有，例如，二氧化硅的主成分的納米孔干凝膠構(gòu)成的時(shí)候，第三表面區(qū)45中的反射效率幾乎為1。對(duì)于反射器44，相對(duì)于第一表面區(qū)7和第二表面區(qū)8設(shè)定一個(gè)傾斜角，使得超聲波到第二表面區(qū)8的入射角能夠滿足表達(dá)式(3)。
用接近諧振頻率的振動(dòng)激勵(lì)超聲波換能器42，作為超聲波的振動(dòng)通過(guò)聲匹配層43在幾乎為1的效率的條件下，向傳播介質(zhì)部分6D的中心一側(cè)輻射。通過(guò)傳播介質(zhì)部分6D傳播的聲波在作為到反射器44的界面的第三表面區(qū)45上以幾乎為1的效率反射，其反射的方向大致轉(zhuǎn)向第二表面區(qū)8一側(cè)，然后在作為傳播介質(zhì)部分6D與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8上折射，并且以幾乎為1的效率輻射到填充周圍空間的流體。
此外，當(dāng)接收通過(guò)填充周圍空間的流體傳播并且到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41的超聲波時(shí)，相對(duì)于從波發(fā)射的方向傳播的超聲波，使用了與波發(fā)射相反的路徑。以幾乎為1的效率進(jìn)入超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41的第二表面區(qū)8的超聲波，通過(guò)傳播介質(zhì)部分6D傳播，并且以幾乎為1的效率在作為到反射器44的界面的第三表面區(qū)45上反射傳播，其傳播方向大致轉(zhuǎn)向超聲波換能器42一側(cè)，并且到達(dá)超聲波超聲波換能器42，然后，通過(guò)超聲波換能器42轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
通過(guò)上述構(gòu)造，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41也能夠向和從填充周圍空間的流體高效率地發(fā)射和接收超聲波，并且能夠產(chǎn)生與第一實(shí)施例相同的效果。
另一方面，如圖6A和6C中所示，在第四實(shí)施例的另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51的外殼9E中，端子板9x固定到橫截面為矩形的圓柱形反射器54的下端，一個(gè)柱形中心軸9k固定到端子板9x的中心部分，和一個(gè)盤形上端板9m如同一個(gè)突出的突緣一樣固定到中心軸9k的上端，使得外殼9E具有環(huán)繞反射器54的中心軸線對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。固定到外殼9E的中心軸9k和上板9m以及端子板9x的內(nèi)表面的超聲波換能器52和聲匹配層53是圓柱形的，并且聲匹配層53布置在超聲波換能器52的內(nèi)側(cè)。此外，傳播介質(zhì)部分6E容納和布置在外殼9E中，使得傳播介質(zhì)部分6E不會(huì)突出到外殼9E的反射器54的上表面和上板9m的上表面以上。此外，傳播介質(zhì)部分6E具有平行于超聲波換能器52的振動(dòng)表面的第一表面區(qū)7，和與填充周圍空間的流體接觸的第二表面區(qū)8，并且通過(guò)第三表面區(qū)55與鄰接傳播介質(zhì)部分54提供的反射器54接觸。反射器54具有與反射器44相同的材料和傾角。
用接近諧振頻率的振動(dòng)激勵(lì)超聲波換能器52，并且在幾乎為1的效率的條件下，作為超聲波的振動(dòng)通過(guò)聲匹配層53向傳播介質(zhì)部分6E的周圍輻射。通過(guò)傳播介質(zhì)部分6E傳播的超聲波在作為到反射器54的界面的第三表面區(qū)55上，以幾乎為1的效率傳播，其傳播方向大致轉(zhuǎn)向第二表面區(qū)8一側(cè)，在作為傳播介質(zhì)部分6E與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8上折射，然后以幾乎為1的效率輻射到填充周圍空間的流體。
此外，當(dāng)接收傳播通過(guò)填充周圍空間的流體并且到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51的超聲波時(shí)，相對(duì)于從波發(fā)射方向傳播的超聲波，使用了與波發(fā)射相反的路徑。以幾乎為1的效率進(jìn)入超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51的第二表面區(qū)8的超聲波，傳播通過(guò)傳播介質(zhì)部分6E，并以幾乎為1的效率在作為到反射器54的界面的第三表面區(qū)55上反射傳播，傳播方向大致轉(zhuǎn)向超聲波換能器52一側(cè)，并且到達(dá)超聲波換能器52，然后通過(guò)超聲波換能器52轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51也能高效率地向和從填充周圍空間的流體發(fā)射和接收超聲波，并且可以產(chǎn)生與第一實(shí)施例相同的效果。
應(yīng)當(dāng)注意，可以布置多個(gè)第四實(shí)施例的反射器44和54，在這種情況下，從結(jié)構(gòu)上講，存在著多個(gè)第三表面區(qū)45和55。此外，在這種情況下，也能具有其中第一表面區(qū)7和第二表面區(qū)8彼此平行的結(jié)構(gòu)，并且需要多個(gè)第三表面區(qū)45和55中的至少一個(gè)相對(duì)于第二表面區(qū)8傾斜規(guī)定的角度。
與第二實(shí)施例相同，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41和超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)51具有一種可以圍繞中心軸線全向進(jìn)行波發(fā)射和接收的結(jié)構(gòu)。當(dāng)用一種氣體填充周圍空間時(shí)，波發(fā)射和接收成為幾乎水平的，并且可以用于全向物體感測(cè)等等。
此外，圖6D示出了超聲波換能器42和52的電極結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。參考標(biāo)號(hào)46代表構(gòu)造在圓柱形超聲波換能器42和52的內(nèi)表面上的分段式電極，參考標(biāo)號(hào)47代表構(gòu)造在外側(cè)表面上的共用電極。通過(guò)如圖6D所示分段的電極部分46，可以控制振動(dòng)產(chǎn)生部分。因此，在可以用超聲波在圓周方向上掃描，并且可以用于在指定方向上的物體感測(cè)，等等。
如圖6D中所示，允許在形成在內(nèi)和外側(cè)表面上的電極部分的至少一側(cè)表面上分割電極區(qū)46。此外，通過(guò)分割換能器42和52本身而布置超聲波換能器42和52，也能獲得相同的效果。電極分割的數(shù)量是任意的，并且不需要提供相同的形狀或?qū)ΨQ的形狀。
(第五實(shí)施例)以下參考圖7說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。圖7是第五實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61的外觀的透視圖，也用作說(shuō)明有關(guān)圖7這一側(cè)的平面A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖視圖，平面A是被外殼的一個(gè)側(cè)面部分覆蓋的平面。此外，第五實(shí)施例以及第一至第四實(shí)施例中的相同的構(gòu)件使用了相同的參考標(biāo)號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，傳播介質(zhì)部分6F對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例的傳播介質(zhì)部分6，6A，等等，外殼9F對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例的外殼9，9A，等等。
以下說(shuō)明第五實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61的特征點(diǎn)，并且不再對(duì)與第一實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)1、第二實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)11和21、第三實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)31、第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41和51相同的部分，以及上述對(duì)應(yīng)于部分進(jìn)行說(shuō)明。
在第五實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61中，將第四實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)41和51的圓柱形或錐形部分制造成矩形。矩形板狀端子板69x固定到矩形板狀側(cè)面部分69g的下端，矩形棱狀反射器64固定到側(cè)面部分69g的周圍部分和端子板69x，如同突緣般突出的矩形盤狀上板69m固定到矩形板狀中心軸69k的上端，提供了相對(duì)于中心線C的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。超聲波換能器62和聲匹配層63是矩形板，并且固定到中心軸69k的內(nèi)表面，并且聲匹配層63布置在超聲波換能器62的外側(cè)。傳播介質(zhì)部分6F具有平行于超聲波換能器62的振動(dòng)表面的第一表面區(qū)7，和與填充周圍空間的流體接觸的第二表面區(qū)8，并且通過(guò)第三表面區(qū)65與鄰接傳播介質(zhì)部分6F提供的反射器64接觸。反射器64具有與反射器44相同的材料和傾角。
第五實(shí)施例與第四實(shí)施例的不同之處在于，第五實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61中的超聲波的發(fā)射和接收是在圖7中的橫向進(jìn)行的，并且相對(duì)于中心線C對(duì)稱。即使在這種情況下，也能將超聲波通過(guò)對(duì)應(yīng)的聲匹配層63以幾乎為1的效率輻射到傳播介質(zhì)部分6F，并且傳播通過(guò)傳播介質(zhì)部分6F的超聲波在作為到反射器64的界面的第三表面區(qū)65，以幾乎為1的效率反射，將方向大致轉(zhuǎn)向第二表面區(qū)8一側(cè)。此外，超聲波在作為傳播介質(zhì)部分6F與填充周圍空間的流體之間的界面的第二表面區(qū)8折射，并以幾乎為1的效率輻射到填充周圍空間的流體。此外，相對(duì)于從波發(fā)射方向傳播的超聲波，具有與波發(fā)射路徑相反的路徑。以幾乎為1的效率進(jìn)入超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61的第二表面區(qū)8的超聲波傳播通過(guò)傳播介質(zhì)部分6F，并且在作為到反射器64的界面的第三表面區(qū)65以幾乎為1的效率反射，到達(dá)超聲波換能器62，然后被超聲波換能器62轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
通過(guò)上述構(gòu)造，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61也能夠向和從填充周圍空間的流體高效率地發(fā)射和接收超聲波，并且可以產(chǎn)生與第一實(shí)施例相同的效果。此外，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61具有能夠在橫向上進(jìn)行波發(fā)射和接收的結(jié)構(gòu)，并且，當(dāng)用氣體填充周圍空間時(shí)，發(fā)射和接收波幾乎是水平的，并且可以用于橫向物體感測(cè)，等等。
(第六實(shí)施例)以下參考圖8A和8B說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。圖8A和8B是多個(gè)布置的第六實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)71-1，71-2，71-3和71-4的透視圖，并且對(duì)第六實(shí)施例以及第一至第五實(shí)施例的共同構(gòu)件給予了相同的參考標(biāo)號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意，傳播介質(zhì)部分6G對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例的傳播介質(zhì)部分6，第五實(shí)施例的傳播介質(zhì)部分6F，等等，并且外殼9G對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例的外殼9，第五實(shí)施例的外殼9F，等等。中心軸79k對(duì)應(yīng)于第五實(shí)施例的中心板69k，和側(cè)面部分79g對(duì)應(yīng)于第五實(shí)施例的側(cè)面部分69g。端子板79x對(duì)應(yīng)于第五實(shí)施例的端子板69x，反射器74對(duì)應(yīng)于第五實(shí)施例的反射器64，和上板79m對(duì)應(yīng)于第五實(shí)施例的上板69m。
以下說(shuō)明第六實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)71-1，71-2，71-3和71-4的特征點(diǎn)，并且不再對(duì)與其它實(shí)施例相同的部分以及上述對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行說(shuō)明。
第六實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)71-1，71-2，71-3和71-4具有一種沿中心線C將第五實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)61分割開的結(jié)構(gòu)。因此，盡管將超聲波的發(fā)射和接收限制到一個(gè)方向，但是，仍然能夠以類似于第五實(shí)施例的高效率執(zhí)行超聲波的發(fā)射和接收，并且能夠產(chǎn)生與第一實(shí)施例相同的效果。當(dāng)用氣體填充周圍空間時(shí)，波發(fā)射和接收幾乎是水平的，并且能夠應(yīng)用于物體感測(cè)等等。
圖8A示出了一種使用了四個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)71-1，71-2，71-3和71-4，以便能夠在深度和橫向方向上發(fā)射和接收超聲波的結(jié)構(gòu)，圖8B示出了一種使用了三個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)71-1，71-2和71-3，以便能夠以120度的間隔在三個(gè)方向上發(fā)射和接收超聲波的結(jié)構(gòu)。如圖8A和8B中所示，通過(guò)在任意方向上布置多個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)71，可以控制應(yīng)用的方向性，并且可以擴(kuò)大應(yīng)用的范圍。
(第七實(shí)施例)以下參考圖9A，9B和9C說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的應(yīng)用設(shè)備。圖9A示出了諸如清掃機(jī)器人之類的自行式機(jī)器人的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)。圖9B示出了汽車的周圍障礙物檢測(cè)系統(tǒng)。圖9C示出了應(yīng)用到超聲波流量計(jì)。
在圖9A，9B和9C中，參考標(biāo)號(hào)81，81A，81B，81D，和81E代表根據(jù)結(jié)合第一實(shí)施例、第二實(shí)施例、第四實(shí)施例、第五實(shí)施例、和第六實(shí)施例中的任何一個(gè)特別說(shuō)明的，本發(fā)明的第七實(shí)施例的，能夠在幾乎水平的方向上進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)。參考標(biāo)號(hào)82，82A，82B，82C，82D和82E代表超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81，81A，81B，81D，和81E發(fā)射和接收的超聲波的方向性圖區(qū)，83代表一個(gè)自行式機(jī)器人，84A，84B，84C，84D和84E代表障礙物，85代表汽車，和86代表測(cè)量溝道。
參考圖9A，在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81A中，外罩部分的一個(gè)表面幾乎與鄰接自行式機(jī)器人83的外罩部分的頂部的第二表面區(qū)8平齊地布置。如圖9A中所示，根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)8A，可以使超聲波發(fā)射和接收波的方向性圖區(qū)82A幾乎與地板表面88A水平(平行)，并且能夠在四周方向上執(zhí)行掃描。因此，可以檢測(cè)自行式機(jī)器人83四周方向中的所有障礙物，而無(wú)需環(huán)繞外罩部分分散地布置超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)8A，或給外罩部分提供用于引導(dǎo)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)8A指向四周的專門機(jī)械系統(tǒng)。
在圖9B中，幾乎與汽車85的車體的前后端的減震部分的下表面，和與靠近車體的頂部的前后端的部分的表面平齊地布置超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81D，81E，81B和81C，而無(wú)需提供任何專門的突起。與圖9A類似，可以使發(fā)射和接收的超聲波的方向性圖區(qū)82D，82E，82B和82C幾乎與地表面88B水平(平行)。因此，如圖9B中所示，可以檢測(cè)地面上處于汽車前后的盲點(diǎn)的障礙物，和諸如欄桿和標(biāo)志牌之類的車頂障礙物84B和84C。此外，可以不給車頂部分特別提供用于超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的突起部分，或類似物，因此，不可能妨礙設(shè)計(jì)的自由度，等等。
在圖9C中，與測(cè)量溝道86的內(nèi)壁表面平齊地布置超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81。發(fā)射和接收的超聲波的方向性圖區(qū)82幾乎與溝道平行，并且利用對(duì)立的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81執(zhí)行超聲波的發(fā)射和接收。在這種情況下，由于不需要超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81直接地面對(duì)，所以無(wú)需在正常溝道中提供凹進(jìn)部分和凸起部分，并且能夠在穩(wěn)定地保持在溝道中的流體的移動(dòng)狀態(tài)下，準(zhǔn)確地測(cè)量流量。這將在以下的第八實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明。提供了用于驅(qū)動(dòng)超聲波換能器81的發(fā)射機(jī)電路701，用于執(zhí)行另一個(gè)超聲波換能器81接收的超聲波的放大、頻帶限制等的接收機(jī)電路702，用于改變發(fā)射和接收的方向的轉(zhuǎn)換電路703，用于根據(jù)來(lái)自接收機(jī)電路702的輸出測(cè)量傳播時(shí)間的時(shí)間測(cè)量部分704，用于根據(jù)來(lái)自時(shí)間測(cè)量部分704的輸出值獲得流量的流量計(jì)算部分705，用于顯示在流量計(jì)算部分705中計(jì)算的流量等等的顯示部分706，和用于控制測(cè)量定時(shí)等等的控制部分707。因此，通過(guò)從一個(gè)超聲波換能器81向另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81發(fā)射超聲波，和通過(guò)另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81接收穿過(guò)諸如氣體之類的要測(cè)量的流體的超聲波，可以通過(guò)時(shí)間測(cè)量部分704測(cè)量超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81和81之間的傳播時(shí)間。隨后，反過(guò)來(lái)通過(guò)從另一個(gè)超聲波換能器81向一個(gè)超聲波換能器81發(fā)射超聲波，和通過(guò)一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81接收穿過(guò)諸如氣體之類的要測(cè)量的流體的超聲波，可以通過(guò)時(shí)間測(cè)量部分704測(cè)量超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81和81之間的傳播時(shí)間。如上所述，測(cè)量一對(duì)超聲波換能器81和81之間的超聲波的傳播時(shí)間規(guī)定的次數(shù)，可以在流量計(jì)算部分705中根據(jù)該值通過(guò)流量計(jì)算部分705計(jì)算諸如氣體之類的要測(cè)量的流體的流量。因此，超聲波換能器81和81能夠執(zhí)行發(fā)射和接收。在這種情況下，從發(fā)射機(jī)電路701到控制部分707的元件構(gòu)成了一個(gè)流量計(jì)算系統(tǒng)。
(第八實(shí)施例)以下參考圖12A至17說(shuō)明一個(gè)用于通過(guò)超聲波測(cè)量流體的流量的超聲波流量計(jì)，這個(gè)超聲波流量計(jì)是作為根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的超聲波傳感器的例子的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的應(yīng)用設(shè)備的一個(gè)例子。
在說(shuō)明第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)之前，參考一種現(xiàn)有的超聲波流量計(jì)。
近年來(lái)，一直將超聲波流量計(jì)用于煤氣表和化學(xué)反應(yīng)控制等，這種超聲波流量計(jì)通過(guò)測(cè)量發(fā)射的超聲波通過(guò)規(guī)定的傳播路徑的時(shí)間來(lái)測(cè)量流體的移動(dòng)速度并且從測(cè)量值測(cè)量流量。
以下參考圖17說(shuō)明現(xiàn)有的超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理。在圖17所示的超聲波流量計(jì)中，管道中的流體以速度V在圖17中的箭頭V方向流動(dòng)。一對(duì)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401和402彼此相對(duì)地布置在超聲波流量計(jì)的管壁403上。每個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401和402帶有一個(gè)用于將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能和把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的換能設(shè)備(換能器)。這個(gè)換能設(shè)備是由，例如，壓電陶瓷之類的壓電換能器構(gòu)成的，并且表現(xiàn)出與壓電蜂鳴器和壓電振蕩器相同的諧振特性。
首先說(shuō)明在把超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401用作超聲波發(fā)射機(jī)和把超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402用作超聲波接收機(jī)的情況下的超聲波流量計(jì)的操作。
如果將具有頻率接近超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401的諧振頻率的AC電壓施加到超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401的壓電換能器，那么超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401把超聲波輻射到管道中的流體。這個(gè)超聲波沿傳播路徑L1傳播，并且到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402。超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402的壓電換能器接收這個(gè)超聲波并且輸出電壓信號(hào)。
接下來(lái)，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402作為一個(gè)超聲波的發(fā)射機(jī)操作。具體地講，通過(guò)把具有接近超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402的諧振頻率的頻率的AC電壓施加到超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402的壓電換能器，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402將超聲波輻射到管道中的流體。超聲波沿傳播路徑L1傳播，并且到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401。超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401的壓電換能器接收這個(gè)超聲波，并且輸出電壓信號(hào)。
如上所述，每個(gè)都是超聲波換能器的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401和402可以產(chǎn)生接收機(jī)的功能和發(fā)射機(jī)的功能。根據(jù)這種超聲波流量計(jì)，當(dāng)連續(xù)地施加AC電壓時(shí)，連續(xù)地從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)輻射超聲波，并且難于測(cè)量傳播時(shí)間。因此，通常將具有脈沖信號(hào)的載波的短促脈沖電壓信號(hào)用作驅(qū)動(dòng)電壓。
如果通過(guò)將驅(qū)動(dòng)短促脈沖電壓信號(hào)施加到超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401而從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401輻射出超聲波短促脈沖信號(hào)，那么這個(gè)超聲波短促脈沖信號(hào)傳播通過(guò)距離L的傳播路徑L1，并且在時(shí)間t過(guò)去之后到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402。
超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402僅能夠?qū)⒁呀?jīng)傳播的超聲波短促脈沖信號(hào)以高的信噪比轉(zhuǎn)換成電短促脈沖信號(hào)。通過(guò)使用驅(qū)動(dòng)短促脈沖電壓信號(hào)作為觸發(fā)器并且再次將驅(qū)動(dòng)短促脈沖電壓信號(hào)施加到超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401而輻射超聲波短促脈沖信號(hào)。
將上述的設(shè)備稱為“聲循環(huán)設(shè)備(sing-around device)”。此外，將超聲波脈沖從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402所需的時(shí)間稱為“聲循環(huán)周期”，并且將它的往復(fù)稱為“聲循環(huán)頻率”。
假設(shè)在圖17的超聲波流量計(jì)中，管道中流動(dòng)的流體的流速是V，流體中超聲波的速度是C，和流體的流向與超聲波脈沖的傳播方向之間的角度是θ。此外，假設(shè)當(dāng)把超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401用作發(fā)射機(jī)和把超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402用作接收機(jī)時(shí)，從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401發(fā)射的超聲波脈沖到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402所需的時(shí)間(聲循環(huán)周期)是t1，和聲循環(huán)頻率是f1。此時(shí)，具有以下的表達(dá)式(4)。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L …(4)相反，如果假設(shè)當(dāng)把超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)402用作發(fā)射機(jī)和把超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)401用作接收機(jī)時(shí)，聲循環(huán)周期是t2，聲循環(huán)頻率是f2，那么具有以下的表達(dá)式(5)的關(guān)系。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L…(5)根據(jù)表達(dá)式(4)和表達(dá)式(5)，將兩個(gè)聲循環(huán)頻率之間的頻率差Δf用以下的表達(dá)式(6)表示。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L …(6)如從表達(dá)式(6)看到的，可以從超聲波的傳播路徑的距離L和頻率差Δf得到流體的流速V。那么，可以從流速V確定流量。
在圖17的超聲波流量計(jì)中，在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的壓電換能器中的超聲波的發(fā)射和接收的表面上提供一個(gè)匹配層(未示出)。這是為了通過(guò)具有中間聲阻抗的層(匹配層)減小要測(cè)量的流體與壓電元件之間的固有聲阻抗(此后稱為“聲阻抗”)的差，和抑制超聲波在具有不同聲阻抗的介質(zhì)之間的界面上的反射。當(dāng)超聲波的傳播路徑中存在大的聲阻抗差的界面時(shí)，將發(fā)生從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)發(fā)射的超聲波不能充分進(jìn)入要測(cè)量的流體的麻煩，并且這將不利地導(dǎo)致不能測(cè)量流量，或顯著降低測(cè)量精度。因此，為了避免上述麻煩和提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定匹配層的聲阻抗十分重要。聲阻抗一般是由下面的表達(dá)式(7)定義的。
聲阻抗＝(密度)×(聲速) …(7)例如，產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的壓電換能器的聲阻抗是大約30×106kg·m-2·s-1，空氣的聲阻抗是大約400kg·m-2·s-1。當(dāng)測(cè)量空氣的流速時(shí)，優(yōu)選將匹配層的聲阻抗設(shè)定到大約0.11×106kg·m-2·s-1。
通常為了形成具有壓電換能器與空氣聲阻抗之間的聲阻抗中間值的匹配層，使用通過(guò)將一種比較小密度的材料(例如，玻璃中空球或塑料中空球)與一種樹脂固化得到的材料。
但是，存在著即使使用上述匹配層，當(dāng)把超聲波從壓電換能器傳播到空氣之類的氣體時(shí)，一定不可避免地發(fā)生傳播損失，并且降低了測(cè)量靈敏度的問(wèn)題。難于有效地從固體向氣體有效地傳播超聲波的原因在于，氣體的聲阻抗顯著小于固體的聲阻抗，并且即使插入匹配層也會(huì)在界面上發(fā)生超聲波的強(qiáng)烈反射。
此外，在圖17所示類型的超聲波流量計(jì)中，在流量測(cè)量部分的溝道中需要有一個(gè)用于布置超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的空穴部分，而這個(gè)空穴部分的存在有時(shí)會(huì)導(dǎo)致要測(cè)量的流體的紊流。此外，由于流量本身會(huì)達(dá)到具有極小的量，對(duì)于微量化學(xué)分析需要將溝道制造得極其細(xì)微。在上述情況下，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)具有超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)不能被布置在溝道中和不能用于最小量的流量測(cè)量的問(wèn)題。
本發(fā)明的第八實(shí)施例是考慮到上述問(wèn)題作出的，并且其目的是要提供一種也能夠處理超小量的流量測(cè)量而不會(huì)擾亂作為流量測(cè)量部分的溝道內(nèi)的流動(dòng)的高靈敏度超聲波流量計(jì)。
本發(fā)明的第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)包括具有定義要測(cè)量的流體的溝道的內(nèi)壁的流量測(cè)量部分，至少一個(gè)提供在被流量測(cè)量部分的內(nèi)壁封閉的溝道空間外部和執(zhí)行超聲波的發(fā)射和/或接收的超聲波換能器，和一個(gè)布置在超聲波換能器與溝道空間之間并且?guī)в行纬沙暡ǖ膫鞑ヂ窂降膫鞑ソ橘|(zhì)部分的超聲波流量計(jì)。構(gòu)造傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，傳播介質(zhì)部分的聲速C1，要測(cè)量的流體的密度ρ2，和要測(cè)量的流體的聲速C2，以滿足表達(dá)式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1表達(dá)的關(guān)系。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，超聲波換能器的數(shù)量是多個(gè)，布置多個(gè)超聲波換能器中的第一超聲波換能器以向多個(gè)超聲波換能器中的第二超聲波換能器發(fā)射超聲波，和布置第二超聲波換能器以向第一超聲波換能器發(fā)射超聲波。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)，和面對(duì)溝道空間的第二表面區(qū)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)第一表面區(qū)傾斜。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)在溝道空間中的要測(cè)量的流體的流速方向上傾斜，并且第二表面區(qū)平行于溝道空間中要測(cè)量的流體的流速的方向。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)在它與流量測(cè)量部分的內(nèi)壁之間的水準(zhǔn)中實(shí)質(zhì)上沒(méi)有形成差別。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，構(gòu)造傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，到傳播介質(zhì)部分與要測(cè)量的流體之間的界面的超聲波的入射角θ1，要測(cè)量的流體的密度ρ2，和從界面到要測(cè)量的流體的進(jìn)入角θ2，以便近似滿足表達(dá)式ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1表示的關(guān)系。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，要測(cè)量的流體是密度不大于10kg·m-3的氣體。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，傳播介質(zhì)部分是由無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)聚合物的干凝膠形成的。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中使干凝膠的固體框架成為疏水的。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，干凝膠具有不大于500kg/m3的密度，并且干凝膠的平均孔徑不大于100nm。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，具有一個(gè)匹配層，這個(gè)匹配層提供在超聲波換能器和傳播介質(zhì)部分之間，并聲匹配超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，流量測(cè)量部分中的、在垂直于要測(cè)量的流體的流速方向的方向上測(cè)量的溝道空間的尺寸不大于要測(cè)量的流體中超聲波的中心頻率的波長(zhǎng)的一半。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，構(gòu)造超換換能器，以便形成一個(gè)收斂聲場(chǎng)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)是曲面的，以便形成透鏡表面。
本發(fā)明的超聲波流量計(jì)包括具有定義氣體溝道的內(nèi)壁的流量測(cè)量部分；一對(duì)提供在流量測(cè)量部分的內(nèi)壁封閉的溝道外側(cè)、用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射和/或接收的超聲波換能器；和一對(duì)布置在一對(duì)超聲波換能器中的每一個(gè)與溝道空間之間、用于折射超聲波的傳播路徑的傳播介質(zhì)部分。傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)，和面對(duì)溝道空間的第二表面區(qū)。傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)相對(duì)于溝道空間中氣體的流速方向傾斜，并且第二表面區(qū)近似平行于溝道空間中氣體的流速方向。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了如果在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中使用由適當(dāng)?shù)牟牧现圃斓膫鞑ソ橘|(zhì)部分適當(dāng)?shù)卣凵涑暡?，那么可以幾乎不在界面上造成損失地將超聲波固體傳播到流體(特別是，氣體)的事實(shí)，并且想到本發(fā)明。
在根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中，具有在要測(cè)量的流體的流動(dòng)方向上傾斜的表面(第一表面區(qū))和幾乎平行于要測(cè)量的流體的流動(dòng)方向的表面(第二表面區(qū))的傳播介質(zhì)部分布置在超聲波換能器和要測(cè)量的流體之間。傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)與定義流體的溝道的平面匹配，以便不會(huì)擾亂流體的流動(dòng)。
以下參考

本發(fā)明的第八實(shí)施例。
首先參考圖12A和12B說(shuō)明本發(fā)明第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)。圖12A示出了沿第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)310的長(zhǎng)度方向的剖面圖。圖12B示出了沿垂直于超聲波流量計(jì)310長(zhǎng)度方向的圖12A的線B-B的剖面圖。
所示超聲波流量計(jì)310包括具有定義了要測(cè)量的流體的溝道的內(nèi)壁的管狀流量測(cè)量部分304；一對(duì)提供在流量測(cè)量部分304的內(nèi)壁340封閉的溝道空間309外部、用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射和/或接收的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)(超聲波換能器)301a和301b；和布置在超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b與溝道空間309之間、用于形成超聲波的傳播路徑的傳播介質(zhì)部分303a和303b。假設(shè)要測(cè)量的流體以箭頭305的方向在流量測(cè)量部分304的內(nèi)壁340封閉的溝道空間309中流動(dòng)。超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b是第一至第六實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中的任何一個(gè)。傳播介質(zhì)部分303a和303b對(duì)應(yīng)于傳播介質(zhì)部分6，6A，6B，6C，6D，6E，6F和6G。應(yīng)當(dāng)注意，為了簡(jiǎn)潔起見沒(méi)有示出外罩。
在第八實(shí)施例中，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a的超聲波輻射表面在要測(cè)量的流體的流動(dòng)方向305上傾斜，并且，從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a發(fā)射的超聲波對(duì)角地入射到流量測(cè)量部分304的內(nèi)壁。然后，超聲波在傳播介質(zhì)部分303a與要測(cè)量的流體之間的界面上折射，并且通過(guò)傳播路徑306被超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301b接收。
如圖12B中所示，第八實(shí)施例中的溝道空間309的截面(垂直于流動(dòng)方向的截面)是矩形的。第八實(shí)施例的流量測(cè)量部分304是通過(guò)元件304a和304b與密封材料304c固化產(chǎn)生的。應(yīng)當(dāng)注意，溝道空間306的形狀不限于所示的一種，而可以是另一種形狀(例如，圓形)。
傳播介質(zhì)部分303a和303b具有面對(duì)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)331，和面對(duì)溝道空間309的第二表面區(qū)332。在第八實(shí)施例中，假設(shè)傳播介質(zhì)部分303a和303b的密度是ρ1，傳播介質(zhì)部分303a和303b的聲速是C1，要測(cè)量的流體的密度是ρ2，和要測(cè)量的流體的聲速是C2，然后，適當(dāng)?shù)剡x擇傳播介質(zhì)部分303a和303b的材料，以便滿足下面的表達(dá)式(8)所示的關(guān)系。
(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1 …(8)當(dāng)測(cè)量氣體的流量時(shí)，很難找到滿足上述條件的材料。原因在于，幾乎沒(méi)有其聲速C1小于氣體聲速C2的固體材料。為了提供滿足第八實(shí)施例中的條件的傳播介質(zhì)部分303a和303b，傳播介質(zhì)部分303a和303b是由無(wú)機(jī)氧化物干凝膠或有機(jī)聚合物的干凝膠形成的。使第八實(shí)施例中使用的干凝膠的固體框架是疏水的，并且它的密度不大于500kg/m3。這種干凝膠是一種具有不大于10nm的平均孔徑的納米孔干凝膠(納米孔干凝膠)。
無(wú)機(jī)氧化物的干凝膠的固體框架部分優(yōu)選至少具有氧化硅(二氧化硅)或氧化鋁(礬土)的成分。此外，有機(jī)聚合物的干凝膠的固體框架部分可以是由一般熱固性樹脂或熱塑性樹脂構(gòu)成的。例如，可以使用聚氨基甲酸脂，聚脲，苯酚固化樹脂，聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯，等等。
在傳播介質(zhì)部分303a和303b是由具有，例如，二氧化硅的主要成分的納米孔干凝膠形成的情況下，如果密度ρ1是200kg/m3，那么可以把聲速設(shè)定在大約100m/s至180m/s的范圍內(nèi)。當(dāng)要測(cè)量的流體是空氣的時(shí)候，由于空氣的密度ρ2是1.22kg/m3，并且聲速C2是340m/s，所以，通過(guò)采用傳播介質(zhì)部分303a和303b，可以同時(shí)滿足表達(dá)式ρ2＜ρ1和C1＜C2所示的關(guān)系，和滿足(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1表達(dá)的關(guān)系。當(dāng)測(cè)量諸如天然氣之類的氣體的流量時(shí)，傳播介質(zhì)部分303a和303b優(yōu)選具有100至300kg/m3范圍的密度ρ1，和100至300m/s范圍的聲速C1。
超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b具有起到超聲波換能器作用的壓電元件，并且可以執(zhí)行超聲波的發(fā)射和/或接收。可以適當(dāng)?shù)厥褂脡弘娞沾勺鳛閴弘娫?br> 在第八實(shí)施例的超聲波流量測(cè)量單元310中，在傳播介質(zhì)部分303a與超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a之間提供了一個(gè)匹配層302a，并且在傳播介質(zhì)部分303b與超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301b之間提供了匹配層302b。匹配層302a和302b具有改進(jìn)作為超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b的超聲波發(fā)生源的壓電陶瓷(聲阻抗30×106kg·m-2·s-1)與傳播介質(zhì)部分303a和303b之間的聲匹配的功能。
當(dāng)形成具有二氧化硅主成分的納米孔干凝膠(聲阻抗3×104kg·m-2·s-1)的傳播介質(zhì)部分303a和303b時(shí)，通過(guò)采用用具有大約1×106kg·m-2·s-1的聲阻抗的材料產(chǎn)生的匹配層302a和302b，可以使得超聲波能量的傳播效率幾乎是1，更具體地講，是不小于0.95。上述材料可以通過(guò)由中空玻璃球與樹脂材料固化獲得的復(fù)合材料提供。優(yōu)選將匹配層302a和302b的厚度設(shè)定到使用的超聲波的波長(zhǎng)的四分之一。
接下來(lái)，參考圖13詳細(xì)說(shuō)明超聲波從傳播介質(zhì)部分303a傳播到要測(cè)量的流體的行為。
根據(jù)上述布置關(guān)系，超聲波沿一個(gè)從傳播介質(zhì)部分303a與要測(cè)量的流體之間的界面S的正交方向傾斜的方向進(jìn)入界面S。假設(shè)超聲波相對(duì)于與界面的正交方向的入射角是θ1(0°＜θ＜90°)。此時(shí)，超聲波在傳播介質(zhì)部分303a與要測(cè)量的流體之間的界面S折射，并且以相對(duì)于界面S的正交方向的角度(進(jìn)入角)θ2(θ1＜θ2)進(jìn)入要測(cè)量的流體。
在第八實(shí)施例中，當(dāng)給出了要測(cè)量的流體的ρ2時(shí)，設(shè)定各種參數(shù)(ρ1，θ1，和θ2)以便近似滿足下面的表達(dá)式(9)所示的關(guān)系。
(ρ2/ρ1)＝(cotθ2/cotθ1)…(9)通過(guò)上述設(shè)置，超聲波能量從傳播介質(zhì)部分303a到要測(cè)量的流體的傳播效率幾乎成為1。此時(shí)，入射角θ1滿足下面的表達(dá)式(10)所示的條件。
(cotθ1)2＝[(C1/C2)2-1]/[(ρ2/ρ1)2-(C1/C2)2]…(10)因此，如果確定了傳播介質(zhì)部分303a的ρ1和C1，以及要測(cè)量的流體的ρ2和C2，那么根據(jù)表達(dá)式(10)確定入射角θ1。此外，如果確定了入射角θ1，那么根據(jù)表達(dá)式(9)確定進(jìn)入角θ2。
如果確定了入射角θ1和進(jìn)入角θ2，那么也可以確定傳播介質(zhì)部分303a的第一表面區(qū)331的傾斜角度，和兩個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b之間的間隔，等等。
當(dāng)接收超聲波時(shí)，照樣使用上述事實(shí)。
在第八實(shí)施例中，通過(guò)形成上述材料的傳播介質(zhì)部分303a和303b，可以把傳播介質(zhì)部分303a和303b的聲速C1設(shè)定到180m/s，并把密度設(shè)定到200kg/m3。當(dāng)測(cè)量空氣的流量時(shí)，要測(cè)量的流體(空氣)的密度ρ2是1.22kg/m3，和聲速C2是340m/s。因此，根據(jù)表達(dá)式(9)和表達(dá)式(10)，將入射角θ1設(shè)定到32°，和把進(jìn)入角θ2設(shè)定到89°是合適的。進(jìn)入角θ2接近90°，因此，超聲波在要測(cè)量的流體中以幾乎平行于流動(dòng)方向305的方向傳播。
在第八實(shí)施例中，流量測(cè)量部分304的內(nèi)壁340封閉的溝道空間309的大小H(見圖12A)優(yōu)選設(shè)定到不大于要測(cè)量的流體中的超聲波的波長(zhǎng)的一半的波長(zhǎng)，理想的是，不大于四分之一的波長(zhǎng)。通過(guò)將溝道空間309的大小設(shè)定到上述尺寸，由于聲波在溝道空間309中的反射，可以限制傳播模式的外觀，并且可以提高測(cè)量精度。例如，當(dāng)使用的超聲波的波長(zhǎng)λ是大約4mm，那么可以將溝道空間309的大小設(shè)定到2mm。在這種情況下，假設(shè)要測(cè)量的最低流速是1mm/s，并且傳播時(shí)間的測(cè)量精度是1ns(毫微秒)，那么可以將超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b之間的橫向間隔設(shè)定到大約120mm。
根據(jù)第八實(shí)施例，在傳播介質(zhì)部分303a和303b與要測(cè)量的流體之間的界面S上幾乎沒(méi)有傳播損失，因此，不需要在這個(gè)界面S上匹配它們的聲阻抗。
不需要用密度ρ1和聲速C1徹底均勻的材料構(gòu)造傳播介質(zhì)部分303a和303b，而是可以用具有多種不同的密度ρ1和聲速C1的材料層層壓在一起的層壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)具有上述層壓結(jié)構(gòu)時(shí)，盡管有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超聲波在傳播介質(zhì)部分303a和303b中不是直線傳播的情況，但是不會(huì)有特別的問(wèn)題。重要的一點(diǎn)是，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定傳播介質(zhì)部分303a和303b的密度ρ1、聲速C1，和入射角θ1，以便在鄰接傳播介質(zhì)部分303a和303b與要測(cè)量的流體之間的界面的區(qū)域中，滿足上述表達(dá)式。
此外，如圖12A中所示，超聲波流量測(cè)量單元310包括用于驅(qū)動(dòng)超聲波換能器81的發(fā)射機(jī)電路701；用于執(zhí)行其它超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)81接收的超聲波的放大、頻帶限制、等等的接收機(jī)電路702；用于改變發(fā)射和接收的方向的轉(zhuǎn)換電路703；用于根據(jù)來(lái)自接收機(jī)電路702的輸出測(cè)量傳播時(shí)間的時(shí)間測(cè)量部分704；用于根據(jù)來(lái)自時(shí)間測(cè)量部分704的輸出值計(jì)算流量的流量計(jì)算部分705；用于顯示流量計(jì)算部分705中計(jì)算的流量等的顯示部分706；和用于控制測(cè)量定時(shí)等的控制部分707。因此，通過(guò)將超聲波從一個(gè)超聲波換能器301a或301b發(fā)射到其它超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301b或301a，并且通過(guò)其它超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301b接收已經(jīng)穿過(guò)氣體之類的要測(cè)量的流體的超聲波，可以通過(guò)定時(shí)測(cè)量部分704測(cè)量超聲波換能器301a和301b之間的傳播時(shí)間。接下來(lái)，通過(guò)將超聲波從其它超聲波換能器301b發(fā)射到一個(gè)超聲波換能器301a，并且通過(guò)一個(gè)超聲波換能器301a或301b接收已經(jīng)穿過(guò)諸如氣體之類的要測(cè)量的流體的超聲波，可以通過(guò)時(shí)間測(cè)量部分704測(cè)量出超聲波換能器301a和301b之間的傳播時(shí)間。如上所述，將一對(duì)超聲波換能器301a與301b之間的超聲波傳播時(shí)間測(cè)量規(guī)定次數(shù)，并且，在流量計(jì)算部分705中，用流量計(jì)算部分705根據(jù)該值計(jì)算諸如氣體之類的要測(cè)量的流體的流量。因此，超聲波換能器301a和301b可以執(zhí)行發(fā)射和接收。在這種情況下，從發(fā)射機(jī)電路701到控制部分707的元件構(gòu)成了一個(gè)流量計(jì)算系統(tǒng)。
以下說(shuō)明第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的操作。
首先，從同時(shí)用作圖12B的驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)射機(jī)電路701將具有接近諧振頻率(例如，大約100kHz至1MHz)的頻率的AC電壓施加到超聲波發(fā)射機(jī)301a。通過(guò)這種操作，超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a通過(guò)匹配層302a，以效率幾乎為1的條件，將超聲波輻射到傳播介質(zhì)部分303a。
已經(jīng)傳播通過(guò)介質(zhì)部分303a的超聲波在傳播介質(zhì)部分303a與溝道空間309之間的界面上折射，以幾乎為1的效率在溝道空間中輻射，并且傳播通過(guò)要測(cè)量的流體的內(nèi)部。結(jié)果，超聲波通過(guò)提供在相反一側(cè)的傳播介質(zhì)部分303b和匹配層302b到達(dá)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301b。超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301b將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電壓，以產(chǎn)生電壓信號(hào)(電信號(hào))。根據(jù)這個(gè)電信號(hào)通過(guò)流量計(jì)算部分705測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間，并且把流速轉(zhuǎn)換成流量的方法，與現(xiàn)有技術(shù)的相同。在日本未審查專利申請(qǐng)2000-298045和日本未審查專利申請(qǐng)2000-298047中描述了驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)的例子。
根據(jù)第八實(shí)施例，提供了表現(xiàn)出適當(dāng)密度ρ1和聲速C1，并且以適當(dāng)?shù)慕嵌日凵涑暡ǖ膫鞑ソ橘|(zhì)部分303a和303b。因此，可以使物質(zhì)之間的界面的傳播損失幾乎為零，并且可以在滿意的信噪比完成流量測(cè)量。而且，根據(jù)第八實(shí)施例，可以容易地測(cè)量氣體(例如，氫氣)的流量，而用現(xiàn)有的超聲波流量計(jì)測(cè)量氣體流量是極端困難的。
此外，根據(jù)第八實(shí)施例，在流量測(cè)量部分304的溝道空間309內(nèi)，不存在導(dǎo)致流動(dòng)紊亂的水平面的不均衡和差異，并且，可以獲得極端穩(wěn)定的流量測(cè)量。此外，由于超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)布置在溝道空間309內(nèi)，所以可以不依賴于超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的大小，任意地設(shè)計(jì)溝道空間309的尺寸。結(jié)果，可以減小溝道309的尺寸，以能夠進(jìn)行超微量的流量測(cè)量。
(第九實(shí)施例)以下參考圖14說(shuō)明作為根據(jù)本發(fā)明的超聲波傳感器的一個(gè)例子的超聲波流量計(jì)。圖14示出了沿第九實(shí)施例的超聲波流量計(jì)320的長(zhǎng)度方向的剖視圖。第九實(shí)施例和上述第八實(shí)施例的相同的構(gòu)件使用了相同的參考標(biāo)號(hào)。
以下說(shuō)明第九實(shí)施例的超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)320的特征點(diǎn)，并且與第八實(shí)施例的超聲波流量計(jì)相同的部分不再給予說(shuō)明。
在第九實(shí)施例的超聲波流量計(jì)320中，構(gòu)造超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a和301b以便形成一個(gè)收斂的聲場(chǎng)。具體地講，彎曲傳播介質(zhì)部分308a和308b的第一表面區(qū)，以形成一個(gè)透鏡表面。通過(guò)這種布置，匹配層308在被測(cè)量流體一側(cè)具有凹型表面。通過(guò)上述構(gòu)造，從超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)301a發(fā)射的超聲波被匯聚到傳播介質(zhì)部分308a的內(nèi)側(cè)。這種匯聚效果使得能夠憑借相同性能的超聲波換能器發(fā)射和接收具有更大聲壓的超聲波，因此，可以進(jìn)一步改進(jìn)信噪比。
在上述第八和第九實(shí)施例的每一個(gè)中，傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)331在要測(cè)量的流體在溝道空間309中流速的方向305上傾斜，并且第二表面區(qū)332平行于要測(cè)量的流體在溝道空間309中的流速方向305。但是，本發(fā)明不限于上述結(jié)構(gòu)。例如，如圖15A中所示，可以采用第二表面區(qū)332在要測(cè)量的流體在溝道空間309中流速方向305上傾斜的結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述構(gòu)造，可以減小兩個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)之間的間隔。但是，在圖15A的構(gòu)造中，在流量測(cè)量部分304的內(nèi)壁340與傳播介質(zhì)部分303a和303b的第二表面區(qū)332之間形成水準(zhǔn)差。為了減小或消除這種水準(zhǔn)差，例如，如圖15B和15C中所示，適當(dāng)?shù)卦诹髁繙y(cè)量部分304的內(nèi)壁340的一部分上形成傾斜表面，并且使得傾斜表面與傳播介質(zhì)部分303a和303b的第二表面區(qū)332匹配。
傳播介質(zhì)部分303a和303b的第二表面區(qū)332優(yōu)選在它與流量測(cè)量部分304的內(nèi)壁340之間沒(méi)有水準(zhǔn)差。但是，當(dāng)流動(dòng)的紊亂不構(gòu)成主要問(wèn)題時(shí)，如圖16A和16B中所示，可以存在水準(zhǔn)差或不平整。
在第八和第九實(shí)施例的每一個(gè)中，一對(duì)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)具有實(shí)質(zhì)上相同的結(jié)構(gòu)，并且采用了180°角的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布置。但是，本發(fā)明不限于上述結(jié)構(gòu)。將第八和第九實(shí)施例的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一對(duì)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)中的一個(gè)，而給予另一個(gè)超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)一種不同的結(jié)構(gòu)(例如，圖15A至15C中所示的結(jié)構(gòu))，也是可以接受的。此外，在第八和第九實(shí)施例中，通過(guò)使用超聲波換能器作為超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)，使得通過(guò)同一個(gè)超聲波換能器不僅執(zhí)行超聲波的發(fā)射，而且也執(zhí)行超聲波的接收。但是，本發(fā)明的第八和第九實(shí)施例不限于上述結(jié)構(gòu)。也可以接受將分離的超聲波換能器用于波發(fā)射和波接收。
根據(jù)本發(fā)明的第八和第九實(shí)施例，超聲波傳播進(jìn)入要測(cè)量的流體的損失可以減小到幾乎是零，因此，可以用高的靈敏度測(cè)量包括氣體在內(nèi)的各種流體的流量。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第八和第九實(shí)施例，不需要在溝道內(nèi)側(cè)提供水準(zhǔn)差或不平整，因此，這些實(shí)施例也可處理極小量的流量測(cè)量，而不會(huì)擾亂要測(cè)量流體的流動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射和/或接收的超聲波換能器，和用于形成超聲波的傳播路徑的傳播介質(zhì)部分。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定傳播介質(zhì)部分的密度ρ1和聲速C1與填充周圍空間的流體的密度ρ2與聲速C2之間的相互關(guān)系，并且以適當(dāng)?shù)慕嵌冗m當(dāng)?shù)卣凵涑暡?，可以將超聲波輻射到填充周圍空間的流體中的損失減小到幾乎為零，和/或可以將接收從填充周圍空間的流體進(jìn)入的超聲波的損失減小到幾乎為零。因此，對(duì)于包括氣體在內(nèi)的各種流體，可以獲得高效的波發(fā)射和接收。此外，當(dāng)流體是氣體時(shí)，可以相對(duì)于超聲波發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的波發(fā)射和接收表面，幾乎水平地(平行地)執(zhí)行波發(fā)射和接收，并且本發(fā)明可以用于開發(fā)各種不同的應(yīng)用。
通過(guò)適當(dāng)組合上述各實(shí)施例的任意實(shí)施例，可以產(chǎn)生它們所具有的效果。
盡管參考附圖結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例充分地說(shuō)明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，可以有各種不同的改變和修改。這些改變和修改被認(rèn)為是包括在所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)，除非它們脫離了所定義的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)填充著流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器(2，12，22，32，42，52，62，72)；和填充在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分(6，6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G)，用于形成超聲波的傳播路徑。
2.一種用于對(duì)填充著流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器(2，12，22，32，42，52，62，72)；和布置在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分(6，6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G)，用于形成超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，傳播介質(zhì)部分中的聲速C1，填充空間的流體的密度ρ2，和填充空間的流體中的聲速C2，滿足表達(dá)式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1表示的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)(7)和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)(8)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)傾斜。
4.一種用于對(duì)填充著流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器(42，52，62，72)；布置在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分(6D，6E，6F，6G)，用于形成超聲波的傳播路徑；和與傳播介質(zhì)部分接觸布置的反射器(44，54，64，74)，用于控制超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，傳播介質(zhì)部分中的聲速C1，填充空間的流體的密度ρ2，和填充空間的流體中的聲速C2，滿足表達(dá)式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1所示的關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)(7)，面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)(8)，和至少一個(gè)布置在超聲波的傳播路徑中第一表面區(qū)與第二表面區(qū)之間并且與反射器接觸的第三表面區(qū)(45，55)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)和第三表面區(qū)中的至少一個(gè)傾斜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)所述的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，超聲波到傳播介質(zhì)部分與填充周圍空間的流體之間的界面的入射角θ1，填充周圍空間的流體的密度ρ2，和超聲波從界面到填充周圍空間的流體的進(jìn)入角θ2，近似滿足表達(dá)式ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1所示的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)所述的超聲波傳感器，其中傳播介質(zhì)部分是由無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)聚合物的干凝膠形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波傳感器，其中使干凝膠的固體框架是疏水的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波傳感器，其中干凝膠的密度不大于500kg/m3，并且干凝膠的平均孔徑不大于100nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)所述的超聲波傳感器，包括提供在超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分之間的聲匹配層(3，13，23，33，43，53，63，73)，用于超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分的聲匹配。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)所述的超聲波傳感器，其中填充周圍空間的流體是一種具有不大于10kg/m3的密度ρ2的氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)所述的超聲波傳感器，其中超聲波的發(fā)射或接收方向幾乎平行于第二表面區(qū)。
13.一種超聲波流量計(jì)，包括流量測(cè)量部分(304)，具有定義了要測(cè)量的流體的溝道的內(nèi)壁；至少一個(gè)提供在由流量測(cè)量部分的內(nèi)壁(340)封閉的溝道空間(309)外部的超聲波換能器(301a，301b)，用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收；和布置在超聲波換能器與溝道空間之間的傳播介質(zhì)部分(303a，303b)，用于形成超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，傳播介質(zhì)部分中的聲速C1，要測(cè)量的流體的密度ρ2，和要測(cè)量的流體的聲速C2，滿足表達(dá)式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1所示的關(guān)系。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲波流量計(jì)，其中提供了多個(gè)超聲波換能器，布置多個(gè)超聲波換能器中的第一超聲波換能器以向多個(gè)超聲波換能器中的第二超聲波換能器發(fā)射超聲波，和布置第二超聲波換能器以向第一超聲波換能器發(fā)射超聲波。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的超聲波流量計(jì)，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)(331)和面對(duì)溝道空間的第二表面區(qū)(332)，和傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)傾斜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超聲波流量計(jì)，其中傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)在溝道空間中要測(cè)量的流體的流動(dòng)速度方向上傾斜，并且第二表面區(qū)平行于溝道中間中要測(cè)量的流體的流動(dòng)速度的方向。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的超聲波流量計(jì)，其中傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)基本上在第二表面區(qū)與流量測(cè)量部分的內(nèi)壁之間沒(méi)有形成水準(zhǔn)差。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)，其中傳播介質(zhì)部分的密度ρ1，超聲波到傳播介質(zhì)部分與要測(cè)量的流體之間的界面的入射角θ1，要測(cè)量的流體的密度ρ2，和超聲波從界面到要測(cè)量的流體的進(jìn)入角θ2，近似滿足表達(dá)式ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1所示的關(guān)系。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)，其中要測(cè)量的流體是一種具有不大于10kg/m3的密度ρ2的氣體。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)，其中傳播介質(zhì)部分是由無(wú)機(jī)氧化物或有機(jī)聚合物的干凝膠形成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的超聲波流量計(jì)，其中使干凝膠的固體框架部分是疏水的。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的超聲波流量計(jì)，其中干凝膠的密度不大于500kg/m3，和干凝膠的平均孔徑不大于100nm。
23.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)，包括提供在超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分之間的匹配層，用于超聲波換能器與傳播介質(zhì)部分的聲匹配。
24.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)，其中流量測(cè)量部分中的溝道空間的大小，在垂直于要測(cè)量的流體的流速方向的方向上測(cè)量的大小，不大于中央頻率的超聲波在要測(cè)量的流體中的波長(zhǎng)的一半。
25.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)，其中超聲波換能器形成了收斂聲場(chǎng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的超聲波流量計(jì)，其中彎曲傳播介質(zhì)部分(308a，308b)的第一表面區(qū)，以便形成透鏡表面。
27.一種超聲波流量計(jì)，包括流量測(cè)量部分(304)，具有定義了氣體的溝道的內(nèi)壁；一對(duì)提供在由流量測(cè)量部分的內(nèi)壁(340)封閉的溝道空間(309)的外部的超聲波換能器，用于執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收；和一對(duì)布置在一對(duì)超聲波換能器中的每一個(gè)與溝道空間之間的傳播介質(zhì)部分(303a，303b)，用于折射超聲波的傳播路徑，傳播介質(zhì)部分包括面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)(331)，和面對(duì)溝道空間的第二表面區(qū)(332)，傳播介質(zhì)部分的第一表面區(qū)在溝道空間中的氣體的流速方向上傾斜，和第二表面區(qū)幾乎平行于溝道空間中氣體的流速方向。
28.一種裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任何一項(xiàng)所述的超聲波流量計(jì)；用于將要測(cè)量的流體提供到超聲波流量計(jì)的管道(304)和用于顯示超聲波流量計(jì)測(cè)量的流量的顯示部分(703)。
29.一種用于對(duì)填充著流體的周圍空間執(zhí)行超聲波的發(fā)射或接收的超聲波傳感器，該傳感器包括超聲波換能器(2，22，32，42，52，62，72)；和填充在超聲波換能器與周圍空間之間的傳播介質(zhì)部分(6，6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G)，用于形成超聲波的傳播路徑，其中傳播介質(zhì)部分具有面對(duì)超聲波換能器的超聲波振動(dòng)表面的第一表面區(qū)(7)，和面對(duì)填充周圍空間的流體的第二表面區(qū)(8)，并且傳播介質(zhì)部分的第二表面區(qū)相對(duì)于第一表面區(qū)傾斜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一個(gè)執(zhí)行超聲波的發(fā)射和/或接收的超聲波換能器(2)，和形成超聲波的傳播路徑的傳播介質(zhì)部分(6)。適當(dāng)?shù)卦O(shè)定傳播介質(zhì)部分(6)的密度ρ
文檔編號(hào)H04R1/44GK1703929SQ0382545
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者橋本雅彥, 永原英知, 鈴木正明 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社