本發明專利技術涉及一種一維超聲換能器單元，包括至少三個分立的超聲換能器和控制單元，用于單獨地操控每個超聲換能器，其中，每個超聲換能器分別具有殼體、壓電體、用于將聲波耦出到氣態介質中的聲耦出層，裝在共同的承載結構中，輻射和/或接收在20千赫至400千赫之間的相同頻率，分別兩個相鄰的超聲換能器具有最高位10cm的間距(A1)，一維超聲換能器單元(10)的每個超聲換能器具有聲通道，所述聲通道具有恰好配屬于一個聲耦出層(26)的輸入開口(38)和輸出開口(40)，所述輸出開口沿直線布置，相鄰的輸出開口(40)之間的間距(A2)最高相當于聲頻的整個波長或半波長并且小于輸入開口(38)的間距(A1)并且所述輸出開口的面積與所述輸入開口的面積的商具有0.30至1.2之間的值。開口的面積的商具有0.30至1.2之間的值。開口的面積的商具有0.30至1.2之間的值。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】一維超聲換能器單元
[0001]本專利技術涉及一種一維超聲換能器單元，所述超聲換能器單元具有至少三個離散的、可單獨操控的超聲換能器，用于感測對象、輪廓或間距。
技術介紹
[0002]超聲或超聲換能器廣泛用于各種測量組件。視應用方式而定，將超聲波耦出到液體介質或氣體介質中。
[0003]由WO 2008/135 004 A1已知一種用于氣態介質中的超聲換能器陣列。所述陣列具有分層結構，該分層結構具有兩個電極結構之間的駐極體層，其中，每個電極結構包括多個可獨立尋址的電極元件，由此，產生駐極體層的局部厚度振動。
[0004]由US 2013/0283918 A1已知一種具有改進的近場分辨率的1.5維超聲換能器陣列。在US 2014/0283611 A1和US 6,310,831 B1中說明了相控的超聲換能器陣列和自適應或補償控制方法。
[0005]對于在工業環境中的使用，所使用的超聲換能器必須能夠確保從
?
40℃到部分超過+100℃的測量的溫度穩定性，和與其他技術設備的電磁兼容性。此外，超聲換能器相對于惡劣的環境影響，例如灰塵、濕氣、腐蝕性化學品，并且相對于機械沖擊或相對于機械劃傷必須是穩健的。
[0006]為了實現高探測范圍，使用壓電陶瓷、例如鋯鈦酸鉛(PZT)，所述壓電陶瓷與其他壓電材料例如石英、駐極體或PVFD相比具有較高的耦合系數。在此，耦合系數是對機械存儲能量和電存儲能量之間的轉換效率的量度。對于PZT來說，視激發方向而定，這些耦合系數例如在0.3到約0.75的范圍內。
[0007]視壓電材料的極化方向而定，可以借助交變電壓在壓電體中產生共振的機械振動，這些共振的機械振動根據幾何傳播方式被稱為平面振動、厚度振動或剪切振動。對于不同的振動形式，可以由針對材料特定的頻率常數來估計壓電體的典型尺寸，這些頻率常數對于預給定頻率下的共振振動來說是必需的。
[0008]對于PZT，視振動類型而定，這些頻率常數通常在1300千赫*毫米和2600千赫*毫米之間。
[0009]因此，由適用于傳感器裝置的PZT組成的薄盤針對在平面模式下從20千赫至500千赫的激發頻率具有約為4毫米至100毫米的直徑。由于這種薄盤的電容特性，在相應地極化時能良好地實現低激發電壓。
[0010]不值得追求壓電盤的更大厚度。一方面，隨著壓電材料的厚度增加，針對相同的頻率范圍必須施加更高的電壓，很快也處于千伏的范圍內，這意味著更高的安全性耗費。另一方面，壓電體的剛度也隨其厚度改變，這對聲波的接收情況具有直接影響。
[0011]在將多個超聲換能器應用在相控至少一維的陣列(phased array)中時，還應注意，相鄰的超聲換能器之間的間距不應大于超聲波的波長，或者優選不大于波長的一半。
[0012]通過這種間距條件相應地限制了單個換能器的結構大小或通過特定結構形式/大
小的超聲換能器可能實現的頻率范圍。
[0013]對于20千赫和500千赫之間的頻率范圍和到空氣中的耦出而言例如得出，相鄰換能器之間的最大間距例如在約8.5毫米至約0.3毫米的數量級中。
[0014]然而，具有由適用于傳感器裝置的PZT組成的薄盤的前述換能器由于壓電盤直徑的原因具有平均大了10倍以上的直徑。
技術實現思路
[0015]在該背景下，本專利技術的任務在于，提出一種對現有技術進行了擴展的設備。
[0016]該任務通過一種具有權利要求1的特征的一維超聲換能器單元來解決。本專利技術的有利構型是從屬權利要求的內容。
[0017]根據本專利技術的內容，提出一種一維超聲換能器單元。
[0018]一維超聲換能器單元包括至少三個超聲換能器，用于感測對象、輪廓或間距，例如0.5米和更大的間距，并且包括控制單元。
[0019]控制單元設計為用于，單獨地操控每個超聲換能器。
[0020]超聲換能器嵌在共同的承載結構中，其中，每個超聲換能器分別具有殼體、布置在該殼體中的壓電體和布置在殼體的敞開端部上的聲耦出層，例如壓電體的相應布置的表面，以用于將聲波耦出到氣態介質中。
[0021]每個超聲換能器設計為用于輻射和/或接收相同的頻率，其中，頻率在20千赫至400千赫的范圍內。
[0022]每兩個直接相鄰的超聲換能器具有從聲耦出層的中心到聲耦出層的中心的最多10厘米或最多5厘米或最多2厘米的間距。
[0023]此外，一維超聲換能器單元的每個超聲換能器具有聲通道，其中，每個聲通道具有帶有第一橫截面的輸入開口和帶有第二橫截面的輸出開口并且每個聲耦出層恰好配屬有一個輸入開口。
[0024]所有聲通道的輸出開口沿著一條線布置并且從一個輸出開口的中心到直接相鄰的輸出開口的中心的間距最高為聲頻的波長或最高為聲頻的波長的一半，其中，直接相鄰的輸出開口之間的間距小于相應的輸入開口之間的間距。
[0025]輸出開口的橫截面的面積與輸入開口的面積的商具有在0.30至1.2之間或0.35至1.0之間或0.4至0.8之間的值。
[0026]顯然，一維超聲換能器單元的超聲換能器是單個分立的構件，其中，每個超聲換能器由于插入到承載結構、例如殼體中而具有固定位置并因此具有相對于所有另外的超聲換能器的固定間距。
[0027]在此，兩個并列布置的超聲換能器直接相鄰，在這兩個超聲換能器之間沒有布置另外的超聲換能器。
[0028]顯然，各個聲通道也構造為管狀或桿狀，其中，例如管徑減小和/或橫截面的形狀改變和/或通道的走向構造為弧形或s形。
[0029]有利地，在聲耦出層與輸出開口之間的聲通道具有光滑的內壁并且尤其不具有棱邊。
[0030]借助多個可單獨操控的超聲波傳感器能夠通過時移或相移的操控方式產生具有
可調設的主傳播方向的波前。
[0031]通過將這些聲通道布置在各個超聲換能器前面，在疊加成共同的波前時或為了疊加成共同的波前，將各個聲源移位到這些聲通道的對應端部或輸出開口處。
[0032]由此可能的是，相較于各個換能器之間的間距減小這些聲源之間的間距，尤其是與各個超聲換能器的尺寸、例如直徑無關地或與各個超聲換能器之間的間距無關地調整各個聲源之間的間距。
[0033]因此，本專利技術的一個優點是，借助聲通道這樣改變壓電換能器的輻射孔徑、例如具有由壓電體預給定的直徑的圓形孔徑，使得這些聲通道在至少一個維度上滿足所希望的陣列布置的條件并且該構造方式能構造相移的陣列設備。
[0034]尤其地，通過各個聲通道的大輸出面積、即通過大于0.3的商能得到與單個超聲換能器的探測有效范圍相比近似的聲壓和因此得到組件的近似的探測有效范圍。在兩個維度上商較小或面積減小的情況下，與單個超聲換能器的探測有效范圍相比，所述設備的有效范圍減小。
[0035]尤其地，與基于MEMS的超聲換能器不同，能實現明顯更大的功率并由此尤其也能可靠地探測距離在0.5米以上的對象或結構。
[0036]此外，聲通道的走向和輸出開口的尺寸能本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種一維超聲換能器單元(10)，所述一維超聲換能器單元包括至少三個用于感測對象、輪廓或間距的超聲換能器(12)并且包括控制單元，其中：
?
所述控制單元(14)設計為用于，單獨地操控每個超聲換能器(12)，
?
每個超聲換能器(12)分別具有殼體(22)、布置在所述殼體(22)中的壓電體(18)和布置在所述外殼(22)的敞開端部處的用于向氣態介質耦出聲波的聲耦出層(26)，
?
所述超聲換能器(12)裝在共同的承載結構(16)中，
?
每個超聲換能器(12)設計為用于，輻射和/或接收相同的頻率，
?
所述超聲換能器(12)的頻率在從20千赫至400千赫的范圍中，其特征在于，
?
每兩個彼此直接相鄰的超聲換能器(12)具有從所述聲耦出層(26)的中心到所述聲耦出層(26)的中心最高為10厘米或最高為5厘米或最高為2厘米的間距(A1)，
?
所述一維超聲換能器單元(10)的每個超聲換能器(12)具有聲通道(36)，
?
每個聲通道(36)具有帶有第一橫截面的輸入開口(38)和帶有第二橫截面的輸出開口(40)，
?
每個聲耦出層(26)恰好配屬有所述輸入開口(38)中的一個輸入開口，
?
所述輸出開口沿一條線布置，并且
?
從一個輸出開口(40)的中心到直接相鄰的輸出開口(40)的中心的間距(A2)最高相當于氣態介質中的波長，或最高相當于氣態介質中的波長的一半，
?
其中，兩個直接相鄰的輸出開口(40)之間的間距(A2)分別小于相應的輸入開口(38)之間的間距(A1)，并且
?
所述輸出開口(40)的面積與所述輸入開口(38)的面積的商具有在0.30至1.2之間的值，
?
每個聲通道(36)具有所述輸入開口(38)的直徑的至少一個長度。2.根據權利要求1所述的一維超聲換能器(10)，其特征在于，輸出開口(40)的面積與輸入開口(38)的面積的商具有在0.35至1.0之間或在0.4至0.8之間的值。3.根據權利要求1或2所述的一維超聲換能器單元(10)，其特征在于，從每個超聲換能器(12)的聲耦出層(26)到相對應的聲通道(36)的所述輸出開口...
【專利技術屬性】
技術研發人員：T，
申請(專利權)人：倍加福歐洲股份公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。