[发明专利]用于非侵入性测量的换能器

说明书

本发明涉及一种用于非侵入性测量的换能器(10)。换能器包括剪切型压电元件(20)和主体材料(30)。剪切型压电元件安装到主体材料的第一面(40)。主体材料的第二面(50)构造成安装到器皿(60)的壁。器皿构造成保持液体(70)。当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在以激活频率被激活时配置成将Lamb波发射到器皿的壁中。换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。

技术领域

本发明涉及一种用于非侵入性测量的换能器并且涉及一种非侵入性测量方法。

背景技术

由附接到器皿的壁的换能器生成的超声波已用于容纳于器皿内的液体的诸如液位、声速、混合状态等的参数的非侵入性测量。用语“器皿”在此并且贯穿本文献在广义上使用，不限于封闭容器，而是还包括至少部分地开放的容器，并且还包括构造成容纳或引导任何种类的介质(诸如，所有种类的液体、液化固体或气体)的管或管道或管线。用语“换能器”在此并且贯穿本文献使用以包括发送器和接收器两者。

然而，发射到液体中的辐射场可能并非如所期望的那样，从而导致非最优测量。

需要解决该问题。

发明内容

因此，将为有利的是，具有改进的用于非侵入性测量的换能器和改进的非侵入性测量方法。

本发明的目标利用独立权利要求的主题来解决，其中，另外的实施例并入从属权利要求中。应当注意到，本发明的以下描述的方面适用于用于非侵入性测量的换能器和非侵入性测量方法两者。

在第一方面，提供了一种用于非侵入性测量的换能器，该换能器包括：

- 剪切型压电元件；和

- 主体材料。

剪切型压电元件安装到主体材料的第一面。主体材料的第二面构造成安装到器皿的壁。用语“安装到”在此并且贯穿本文献在广义上使用，包括直接安装，而且还包括使用某个中间层，例如，在主体材料与壁之间使用硅垫。器皿构造成保持液体。当主体材料的第二面安装到器皿的壁时，换能器在作为发送器而被操作并且以激活频率被激活时配置成将Lamb波发射到器皿的壁中。换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于由器皿保持的液体中的声速。

以此方式，提供了用于存储于容器中的流体的参数的非侵入性测量的超声波的有效激励，从而使得例如液位、声速测量值以及其它流体参数能够被确定。

通过要求液体中的声速小于Lamb波的相位速度，可生成泄漏Lamb波或将泄漏Lamb波有效地发射到液体中以用于非侵入性测量。

换能器可配置成具有Lamb波的所要求的相位速度和液体中的泄漏Lamb波的所要求的辐射方向，因为这取决于相位速度与液体中的声速的比率。因而，提供了精确的辐射方向，由此实现在液体中准确地测量距离和声速。

注意到，利用用语“换能器”指定的元件也可为作为接收器而工作的元件。在这样的情况下，优化的换能器也是用于从具体的方向进入的波(诸如，平面波)的最佳滤波器。

在示例中，主体材料是聚酰胺。

通过使用具有适当的主体材料和优化的换能器几何结构的剪切型压电元件(非标准压电器件)，可在液体中生成具有隔离锥体的频率可操纵、明确限定、定向的超声束，这有益于非侵入性测量应用。尤其是，声场可几乎由沿单个方向传播的平面波组成。

在示例中，压电元件是单个陶瓷剪切型压电元件。剪切型压电元件具有不需要特别关注纵横比的优点。这与例如板型压电器件形成对比，板型压电器件生成纵向波和横向波，并且，在板型压电器件中，因而需要仔细地控制纵横比。在剪切型压电器件的情况下并非如此。

在示例中，换能器配置成使得器皿的壁中的Lamb波的相位速度大于剪切型压电元件中的声速。

以此方式，可有效地生成Lamb波。