本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種用于區(qū)域監(jiān)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)，所述殼體具有用于緊固在表面上的緊固器件；至少三個(gè)分立的超聲換能器(12)，設(shè)計(jì)為用于將具有一致的、20千赫至400千赫之間的工作頻率的聲波耦出到氣態(tài)介質(zhì)中；和用于單獨(dú)地操控每個(gè)超聲換能器(12)的控制單元，其中，每兩個(gè)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)的每個(gè)超聲換能器(12)具有聲通道(22)，所述聲通道具有分別恰好配屬于一個(gè)超聲換能器的輸入開口(24)和輸出開口(26)，所述輸出開口(26)沿直線布置，直接相鄰的輸出開口(26)之間的間距(A2)最高相當(dāng)于氣態(tài)介質(zhì)中的整個(gè)波長或半波長并且小于相應(yīng)的間距(A1)，所述輸出開口(26)的面積與所述輸入開口(24)的面積的商具有0.30至1.2之間的值，并且每個(gè)聲通道(22)具有至少一個(gè)與所述輸入開口(24)的直徑相應(yīng)的長度。輸入開口(24)的直徑相應(yīng)的長度。輸入開口(24)的直徑相應(yīng)的長度。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】用于區(qū)域監(jiān)測的一維超聲換能器單元
[0001]本專利技術(shù)涉及一種用于區(qū)域監(jiān)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(gè)分立的且可單獨(dú)操控的超聲換能器，用于感測對象、輪廓或間距。
技術(shù)介紹
[0002]超聲或超聲換能器廣泛使用在各種測量組件中。視應(yīng)用方式而定，將超聲耦出到液態(tài)介質(zhì)或氣態(tài)介質(zhì)中。
[0003]由WO 2008/135 004 A1已知一種用于氣態(tài)介質(zhì)中的超聲換能器陣列。所述陣列具有分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)之間的駐極體層組成，其中，每個(gè)電極結(jié)構(gòu)包括多個(gè)可獨(dú)立尋址的電極元件，由此，產(chǎn)生駐極體層的局部厚度振動(dòng)。
[0004]由US 2013/0283918 A1已知一種具有改進(jìn)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(yīng)或補(bǔ)償控制方法。
[0005]對于在工業(yè)環(huán)境中的使用，所使用的超聲換能器必須能夠確保從
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40℃到部分超過+100℃的測量的溫度穩(wěn)定性，和與其他技術(shù)設(shè)備的電磁兼容性。此外，超聲換能器相對于惡劣的環(huán)境影響，例如灰塵、濕氣、腐蝕性化學(xué)品，以及相對于機(jī)械沖擊或相對于機(jī)械劃傷必須是穩(wěn)健的。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)高探測范圍，使用壓電陶瓷、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(shù)。在此，耦合系數(shù)是對機(jī)械存儲(chǔ)能量和電存儲(chǔ)能量之間的轉(zhuǎn)換效率的量度。對于PZT來說，視激發(fā)方向而定，這些耦合系數(shù)例如位于0.3到約0.75的范圍內(nèi)。
[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(chǎn)生共振的機(jī)械振動(dòng)，這些共振的機(jī)械振動(dòng)根據(jù)幾何傳播方式被稱為平面振動(dòng)、厚度振動(dòng)或剪切振動(dòng)。對于這些振動(dòng)形式，可以由針對材料特定的頻率常數(shù)來估計(jì)壓電體的典型尺寸，這些典型尺寸對于預(yù)給定頻率下的共振振動(dòng)來說是必需的。對于PZT，視振動(dòng)類型而定，這些頻率常數(shù)通常在1300千赫*毫米和2600千赫*毫米之間。
[0008]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(fā)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(yīng)地極化時(shí)能良好地實(shí)現(xiàn)低激發(fā)電壓。
[0009]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(nèi)，這意味著更高的安全性耗費(fèi)。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。
[0010]在將多個(gè)超聲換能器應(yīng)用在相控的至少一維的陣列(phased array)中時(shí)，還應(yīng)注意，相鄰的超聲換能器之間的間距不應(yīng)大于超聲的波長，或者優(yōu)選不大于波長的一半。
[0011]通過這種間距條件相應(yīng)地限制了單個(gè)換能器的結(jié)構(gòu)大小或借助超聲換能器的特定結(jié)構(gòu)形式/大小可能實(shí)現(xiàn)的頻率范圍。
[0012]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(shù)量級中。
[0013]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(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0014]在該背景下，本專利技術(shù)的任務(wù)在于，提出一種對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展的設(shè)備。
[0015]該任務(wù)由一種具有權(quán)利要求1的特征的用于材料感測的危險(xiǎn)識(shí)別的一維超聲換能器單元解決。本專利技術(shù)的有利構(gòu)型是從屬權(quán)利要求的主題。
[0016]根據(jù)本專利技術(shù)的主題，提供一種用于區(qū)域監(jiān)測的一維超聲換能器單元，所述一維超聲換能器單元包括殼體、至少三個(gè)超聲換能器和控制單元，其中，控制單元設(shè)計(jì)為用于，單獨(dú)地操控每個(gè)超聲換能器，殼體具有用于緊固在表面上的緊固器件，控制單元至少部分地布置在殼體中，殼體具有通信接口，每個(gè)超聲換能器分別具有換能器殼體、布置在該換能器殼體中的壓電體和布置在換能器殼體的敞開端部上的、用于向氣態(tài)介質(zhì)耦出的聲耦出層并且每個(gè)超聲換能器布置在殼體中的固定位置上，每個(gè)超聲換能器設(shè)計(jì)為用于輻射和/或接收具有一致的工作頻率的聲波并且聲波的工作頻率位于20千赫至400千赫的范圍內(nèi)。
[0017]在殼體中，每兩個(gè)相互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。一維超聲換能器單元的每個(gè)超聲換能器具有聲通道，其中，每個(gè)聲通道具有輸入開口和輸出開口，每個(gè)聲耦出層恰好配屬有一個(gè)輸入開口，輸出開口沿著直線布置，輸出開口分別布置在殼體的一個(gè)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(dāng)于氣態(tài)介質(zhì)中的波長，或者最高相當(dāng)于氣態(tài)介質(zhì)中的波長的一半，其中，兩個(gè)直接相鄰的輸出開口之間的間距分別小于配屬于相應(yīng)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的商具有0.30至1.2之間的值并且每個(gè)聲通道具有至少一個(gè)與輸入開口的直徑相當(dāng)?shù)闹睆健?br/>[0018]顯然，一維超聲換能器單元的超聲換能器是單個(gè)分立的構(gòu)件，其中，每個(gè)超聲換能器布置在殼體中并且與殼體連接并因此關(guān)于所有其他超聲換能器具有固定的間距。在此，兩個(gè)并列布置的超聲換能器相互直接相鄰，這兩個(gè)并列布置的超聲換能器之間沒有布置另外的超聲換能器。
[0019]顯然，各個(gè)聲通道構(gòu)造為管狀或桿狀，其中，例如，管直徑減小和/或橫截面的形狀改變和/或通道的走向構(gòu)造為弧形。有利地，聲通道在它的從聲耦出層直至它的輸出開口的整個(gè)長度上不具有棱邊。
[0020]聲通道將由各個(gè)超聲換能器產(chǎn)生的聲波從殼體引導(dǎo)出，或?qū)⒎瓷涞穆暡ㄒ龑?dǎo)回超聲換能器。因此，在殼體壁上的輸出開口處或在殼體外部通過疊加而產(chǎn)生波前(Wellenfront)。
[0021]通過多個(gè)可單獨(dú)操控的超聲換能器，能夠通過時(shí)移操控方式或相移操控方式產(chǎn)生具有可調(diào)整的主傳播方向的波前。由此，能利用僅一個(gè)一維超聲換能器單元至少在一個(gè)維度上感測更大的測量區(qū)域。此外，可以附加地感測對象的表面結(jié)構(gòu)和/或?qū)ο蟮男螤睢Ｒ虼耍缈梢源_定對象的類型。
[0022]通過將聲通道布置在各個(gè)超聲換能器前面，在疊加成共同的波前時(shí)或?yàn)榱睡B加成共同的波前，將各個(gè)聲源移位到聲通道的對應(yīng)端部或輸出開口處。這能夠?qū)崿F(xiàn)，與各個(gè)超聲換能器的大小、例如直徑無關(guān)地或與各個(gè)超聲換能器之間的間距無關(guān)地調(diào)整各個(gè)聲源之間的間距。尤其地，相較于各個(gè)換能器之間的間距能夠減小聲源之間的間距。
[0023]在單個(gè)超聲換能器的殼體直徑例如為7毫米的情況下，兩個(gè)換能器的間距至少為14毫米。相應(yīng)地，在沒有聲通道的情況下，僅能實(shí)現(xiàn)具有頻率最高為22千赫(λ≥14毫米)或最高11千赫(λ/2≥14毫米)的波前。利用相同的超聲換能器僅在借助根據(jù)本專利技術(shù)的聲通道的情況下才能產(chǎn)生具有較高頻率、即較小波長的波前，因?yàn)樵诏B加時(shí)，各個(gè)“聲源”的間距不由換能器殼體的大小確定，而僅由聲通道輸出開口的大小和間距來確定。
[0024]此外，通過本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】1.一種用于區(qū)域監(jiān)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(16)、至少三個(gè)超聲換能器(12)和控制單元，其中，
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所述控制單元設(shè)計(jì)為用于單獨(dú)地操控每個(gè)超聲換能器(12)，
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所述殼體(14)包括用于緊固在表面上的緊固器件(11)，
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所述控制單元至少部分地布置在所述殼體(14)中，
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所述殼體具有通信接口，
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每個(gè)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)的敞開端部的、用于耦出到氣態(tài)介質(zhì)中的聲耦出層(20)，并且每個(gè)超聲換能器布置在所述殼體(14)中的固定位置上，
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每個(gè)超聲換能器(12)設(shè)計(jì)為用于，輻射和/或接收具有一致的工作頻率的聲波，以及
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所述聲波的工作頻率處于20千赫至400千赫之間，其特征在于，
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在所述殼體(14)中，每兩個(gè)彼此直接相鄰的超聲換能器(12)具有從所述聲耦出層(20)的中心至所述聲耦出層(20)的中心的最高10厘米或最高5厘米或最高2厘米的間距(A1)，
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所述一維超聲換能器單元(10)的每個(gè)超聲換能器(12)具有聲通道(22)，
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每個(gè)聲通道(22)具有輸入開口(24)和輸出開口(26)，
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每個(gè)聲耦出層(20)恰好配屬有所述輸入開口(24)中的一個(gè)輸入開口，
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所述輸出開口沿直線布置，
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所述輸出開口分別布置在所述殼體的壁中，或所述聲通道穿過所述殼體的所述壁，
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從所述輸出開口(26)中的一個(gè)輸出開口的中心至直接相鄰的輸出開口(26)的中心的間距(A2)最高相當(dāng)于所述氣態(tài)介質(zhì)中的波長，或者最高相當(dāng)于所述氣態(tài)介質(zhì)中的波長的一半，
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其中，兩個(gè)直接相鄰的輸出開口(26)之間的間距(...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：R，
申請(專利權(quán))人：倍加福歐洲股份公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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