用于材料檢測的一維超聲換能器單元制造技術

一種用于材料監測的一維超聲換能器單元(10)包括具有用于固定在表面處的固定器件的殼體(14)以及設計用于將具有在20kHz與400kHz之間的一致工作頻率的聲波耦合輸出至氣態介質中的至少三個分立的超聲換能器(12)和設計用于單獨控制每個超聲換能器(12)的控制單元，其中，每兩個彼此直接相鄰的超聲換能器(12)具有間距(A1)，一維超聲換能器單元(10)在每個超聲換能器(12)上具有聲通道(22)，聲通道分別具有恰好一個分配給超聲換能器的輸入開口(24)和輸出開口(26)，輸出開口(26)沿直線布置，直接相鄰的輸出開口(26)的間距(A2)最高對應于氣體介質中的全或半波長并且小于相應的間距(A1)，輸出開口(26)的面積與輸入開口(24)的面積之商位于0.30與1.2之間，并且每個聲通道(22)都具有至少對應于輸入開口(24)的直徑的長度。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于材料檢測的一維超聲換能器單元
本專利技術涉及一種用于材料檢測的一維超聲換能器單元，該一維超聲換能器單元具有至少三個分立的且可單獨操控的超聲換能器，以用于檢測對象、輪廓或間距。
技術介紹
超聲或超聲換能器用于各種各樣的測量布置中。根據應用，超聲耦合輸出至液態介質或氣態介質中。從WO2008/135004A1中已知一種用于氣態介質中的應用的超聲換能器陣列。該陣列具有由兩個電極結構之間的駐極體的層組成的層結構，其中，該一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。從US2013/0283918A1中已知一種具有經改善的近場分辨率的超聲換能器的1.5D陣列。在US2014/0283611A1和US6,310,831B1中描述相控(phasengesteuert)超聲換能器陣列和自適應或補償控制方法。為了在工業環境中使用，所使用的超聲換能器必須能夠保證從-40℃到部分地超過+100℃的測量溫度穩定性以及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、腐蝕性化學物質)以及相對于機械沖擊或都需要機械刮擦必須是穩健的。為了實現高的探測作用間距，使用諸如鋯鈦酸鉛(PZT)之類的壓電陶瓷，該壓電陶瓷與其他壓電材料(例如石英、駐極體或PVFD)相比具有高耦合系數。在此，耦合系數表示機械存儲的能量與電存儲的能量之間的轉換效率的度量。對于PZT，根據激勵方向，這些耦合系數例如位于0.3至0.75的范圍中。根據壓電材料的極化方向，可以借助交流電壓在壓電體中產生共振機械振動，根據幾何傳播，該振動稱為平面振動、厚度振動或剪切振動。對于這些振動，可以從材料特定的頻率常數中估計出壓電體的典型尺寸，該尺寸對于預給定頻率下的共振振動是必需的。對于PZT，根據振動類型，這些頻率常數通常位于1300kHz*mm與2600kHz*mm之間。因此，由適用于傳感裝置的PZT組成的薄盤在平面模式下針對20kHz至500kHz的激勵頻率具有約4mm至100mm的直徑。由于這種薄板的電容特性，在相應的極化下可以良好地實現低激勵電壓。壓電盤的更大厚度是不值得追求的。一方面，隨著壓電材料厚度的增加，針對相同的頻率范圍必須施加更高的電壓(甚至快速地在kV范圍內)，這意味著更高的安全開銷。另一方面，壓電體的剛性也隨著壓電體的厚度發生改變，這對聲波的接收情況有直接影響。在將多個超聲換能器應用于相控的至少一維的陣列(相控陣列)中時，還應注意，相鄰超聲換能器之間的間距不應大于超聲波的波長或優選地不應大于波長的一半。通過這種間距條件相應地限制單個換能器的結構尺寸或借助超聲換能器的確定結構形式/尺寸而能夠實現的頻率范圍。例如，對于20kHz與500kHz之間的頻率范圍以及耦合輸出至空氣中，得出相鄰換能器之間的最大間距在約8.5mm至0.3mm的數量級中。然而，由于壓電盤直徑，先前所描述的、具有由適用于傳感裝置的PZT組成的薄盤的換能器具有平均大十倍以上的直徑。
技術實現思路
在此背景下，本專利技術的任務在于，說明一種擴展現有技術的設備。該任務通過具有權利要求1的特征的、用于材料檢測的危險識別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主題。根據本專利技術的主題，提供一種用于材料檢測的一維超聲換能器單元，該一維超聲換能器單元包括殼體、至少三個超聲換能器和控制單元，其中，該控制單元設計為用于單獨地操控每個超聲換能器，該殼體具有用于固定在表面上的固定器件，該控制單元至少部分地布置在該殼體中，該殼體具有通信接口，每個超聲換能器分別具有換能器殼體、布置在換能器殼體中的壓電體和布置在換能器殼體的開端處的用于耦合輸出到氣態介質中的聲耦出層，并且所述超聲換能器布置在殼體中的固定位置處，每個超聲換能器設計為用于發射和/或接收具有一致工作頻率的聲波，并且聲波的工作頻率處于20kHz到400kHz的范圍中。每兩個彼此直接相鄰的超聲換能器在殼體中從聲耦出層的中心到聲耦出層的中心具有最高10cm或最高5cm或最高2cm的間距。該一維超聲換能器單元在每個超聲換能器上具有聲通道，其中，每個聲通道具有輸入開口和輸出開口，每個聲耦出層配屬有輸入開口中的恰好一個，輸出開口沿著直線布置，輸出開口分別布置在殼體的壁中或者聲通道穿過殼體的壁。從輸出開口之一的中心到直接相鄰的輸出開口的中心的間距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之間的間距分別小于配屬于相應輸入開口的超聲換能器的間距，輸出開口的面積與輸入開口的面積之商具有在0.30與1.2之間的值，并且每個聲通道具有至少相當于輸入開口的直徑的長度。應當理解，這些一維超聲換能器單元的超聲換能器涉及單個的離散構件，其中，每個超聲換能器布置在殼體中并且與殼體連接并且因此與所有其他超聲換能器具有固定的間距。在此，兩個并排布置的、在它們之間未布置有其他超聲換能器的超聲換能器是彼此直接相鄰的超聲換能器。也應當理解，各個聲通道構造為管狀或棒狀，其中，例如管直徑減小和/或橫截面的形狀發生改變和/或通道的走向拱狀地構造。有利地，聲通道在其從聲耦出層到其輸出開口的整個長度上不具有棱邊。聲通道將由各個超聲換能器產生的聲波從殼體中引導出來，或者將反射聲波引導返回至超聲換能器。因此，由于疊加而在殼體壁上的輸出開口處或在殼體外部產生波前。借助多個可單獨操控的超聲換能器可以通過時間上錯開的或相位錯開的操控來產生具有可調節的主傳播方向的波前。由此可以借助僅一個一維超聲換能器單元至少在一個維度上掃描較大的測量區域。此外，可以檢測對象的表面結構和/或對象的形狀。因此，例如可以確定材料類型和/或對象類型。通過將聲通道布置在各個超聲換能器前面，在疊加至共同波前時或者說為了疊加至共同波前，將各個聲源布置到聲通道的相應末端或者說輸出開口處。這使得能夠獨立于各個超聲換能器的尺寸(例如直徑)或者獨立于各個超聲換能器之間的間距來調節各個聲源之間的間距。與各個換能器之間的間距相比，尤其可以減小聲源之間的間距。在各個超聲換能器的殼體直徑為例如7mm的情況下，兩個換能器之間的間距為至少14mm。相應地，在沒有聲通道的情況下，僅能夠實現頻率最高為22kHz(λ≥14mm)或最高為11kHz(λ/2≥14mm)的波前。借助根據本專利技術的聲通道才能以相同的超聲換能器產生具有更高頻率(即更短波長)的波前，因為疊加時各個“聲源”之間的間距不由換能器殼體的尺寸確定，而是僅由聲通道輸出開口的尺寸和間距確定。通過聲通道還確保精準、定向的探測。借助聲通道如此改變壓電換能器的發射孔徑(例如具有由壓電體預給定的直徑的圓形孔徑)，使得該孔徑在至少一個維度上滿足所期望的陣列布置的條件。這使得能夠在相控陣列布置中使用穩健、可靠和/或成本有利的分立超聲換能器。相控陣列布置使得借助僅唯一的一維超聲換能器單元就能夠實現大的視角，并且因此能夠實現例如填充高度的可靠監測。也能夠識別表面結構和/本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種用于材料檢測的一維超聲換能器單元(10)，所述一維超聲換能器單元包括殼體(14)、至少三個超聲換能器(12)和控制單元，其中，/n-所述控制單元設計為用于單獨操控每個超聲換能器(12)，/n-所述殼體(14)具有用于固定在表面上的固定器件(11)，/n-所述控制單元至少部分地布置在所述殼體(14)中，/n-所述殼體具有通信接口，/n-每個超聲換能器(12)分別具有換能器殼體(18)、布置在所述換能器殼體(18)中的壓電體(18)和布置在所述換能器殼體(18)的敞開端部處的用于耦合輸出至氣態介質中的聲耦出層(20)，并且每個超聲換能器布置在所述殼體(14)中的一個固定位置處，/n-每個超聲換能器(12)設計為用于發射和/或接收具有一致工作頻率的聲波，/n-所述聲波的所述工作頻率處于20kHz至400kHz的范圍中，/n其特征在于，/n-每兩個彼此直接相鄰的超聲換能器(12)在所述殼體(14)中從所述聲耦出層(20)的中心到所述聲耦出層(20)的中心具有最高10cm或最高5cm或最高2cm的間距(A1)，/n-所述一維超聲換能器單元(10)在每個超聲換能器(12)上具有聲通道(22)，/n-每個聲通道(22)具有輸入開口(24)和輸出開口(26)，/n-每個聲耦出層(20)配屬有所述輸入開口(24)中的恰好一個，/n-所述輸出開口沿著直線布置，/n-所述輸出開口分別布置在所述殼體的壁中，或者所述聲通道穿過所述殼體的所述壁，/n-從所述輸出開口(26)之一的中心到直接相鄰的輸出開口(26)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，/n-其中，兩個直接相鄰的輸出開口(26)之間的間距(A2)分別小于配屬于相應輸入開口(24)的超聲換能器(12)之間的間距(A1)，/n-所述輸出開口(26)的面積與所述輸入開口(24)的面積之商具有0.30與1.2之間的值，并且/n-每個聲通道(22)具有至少相當于所述輸入開口(24)的直徑的長度。/n...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】20180803 DE 102018006127.31.一種用于材料檢測的一維超聲換能器單元(10)，所述一維超聲換能器單元包括殼體(14)、至少三個超聲換能器(12)和控制單元，其中，
-所述控制單元設計為用于單獨操控每個超聲換能器(12)，
-所述殼體(14)具有用于固定在表面上的固定器件(11)，
-所述控制單元至少部分地布置在所述殼體(14)中，
-所述殼體具有通信接口，
-每個超聲換能器(12)分別具有換能器殼體(18)、布置在所述換能器殼體(18)中的壓電體(18)和布置在所述換能器殼體(18)的敞開端部處的用于耦合輸出至氣態介質中的聲耦出層(20)，并且每個超聲換能器布置在所述殼體(14)中的一個固定位置處，
-每個超聲換能器(12)設計為用于發射和/或接收具有一致工作頻率的聲波，
-所述聲波的所述工作頻率處于20kHz至400kHz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)在所述殼體(14)中從所述聲耦出層(20)的中心到所述聲耦出層(20)的中心具有最高10cm或最高5cm或最高2cm的間距(A1)，
-所述一維超聲換能器單元(10)在每個超聲換能器(12)上具有聲通道(22)，
-每個聲通道(22)具有輸入開口(24)和輸出開口(26)，
-每個聲耦出層(20)配屬有所述輸入開口(24)中的恰好一個，
-所述輸出開口沿著直線布置，
-所述輸出開口分別布置在所述殼體的壁中，或者所述聲通道穿過所述殼體的所述壁，
-從所述輸出開口(26)之一的中心到直接相鄰的輸出開口(26)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(26)之間的間距(A2)分別小于配屬于相應輸入開口(24)的超聲換能器(12)之間的間距(A1)，
-所述輸出開口(26)的面積與所述輸入開口(24)的面積之商具有0.30與1.2之間的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：R·奧根施泰因，T·凱因德爾，
申請(專利權)人：倍加福歐洲股份公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE