專利名稱：用于超聲波傳感器的自測(cè)試設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種超聲波傳感器，它用來(lái)測(cè)量位于一個(gè)空間中的材料的物理性質(zhì)，更確切地說(shuō)，涉及這樣一個(gè)傳感器的自測(cè)試。
已知的設(shè)置在容器中的超聲波液位傳感器包括一個(gè)傳感器殼體，該殼體圍繞其外側(cè)上的一個(gè)間隙或槽口布置。當(dāng)容器中的液位升高時(shí)，液體流進(jìn)該間隙并通過穿過間隙中的液體來(lái)發(fā)射超聲波能以此加以檢測(cè)。殼體中的一對(duì)超聲波換能器或晶體經(jīng)一個(gè)樹脂發(fā)射層并穿過間隙中的液體來(lái)發(fā)射聲能，該樹脂發(fā)射層把晶體粘接于殼體內(nèi)側(cè)并提供用來(lái)提高發(fā)射效率的聲學(xué)阻抗匹配。在嚴(yán)酷的使用條件下，晶體可能失效或者發(fā)射層的粘接可能失效，所以有必要對(duì)這些失效進(jìn)行測(cè)試。
除了穿過間隙中的液體這一發(fā)射路徑外，還有在晶體之間經(jīng)過殼體本身的第二發(fā)射路徑。過去，沿著圍繞間隙穿過金屬殼體的這個(gè)第二路徑的測(cè)試發(fā)射，曾是當(dāng)間隙中沒有提供發(fā)射的液體時(shí)用來(lái)測(cè)試傳感器工作狀態(tài)的滿意手段。在屬于Silvermetz等人的美國(guó)專利4,299,114中描述了這樣一種自測(cè)試。
然而，當(dāng)使用諸如聚合物、樹脂之類(通常稱為“塑料”)的非金屬材料制作殼體時(shí)，用殼體本身作為測(cè)試發(fā)射路徑就有問題了。這些非金屬材料作為溫度的函數(shù)而改變其聲發(fā)射性質(zhì)。這種變化可能很大，而且從某一批生產(chǎn)的塑料到下一批是相當(dāng)不可預(yù)測(cè)的，使得難以開發(fā)對(duì)這種變化的可靠的電子補(bǔ)償。
穿過該塑料所發(fā)射的測(cè)試信號(hào)在極端的溫度下是不可預(yù)測(cè)的，會(huì)給出傳感器有毛病的錯(cuò)誤指示。因而在超聲波傳感器中有必要提供一種可靠的測(cè)試配置，該配置不依賴圍繞間隙并穿過塑料殼體的測(cè)試信號(hào)的發(fā)射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于超聲波液位傳感器的自測(cè)試設(shè)備。該傳感器包括一個(gè)殼體，該殼體形成一個(gè)間隙。超聲波耦合材料設(shè)置在鄰近該間隙的殼體內(nèi)側(cè)，并承裝第一和第二換能器。諸換能器通過跨越間隙的第一路徑并通過第二路徑發(fā)射超聲波能。該第二路徑包括一個(gè)金屬元件，該元件在該第一和第二換能器之間提供超聲波耦合。該第二路徑用作傳感器工作的自測(cè)試。
附圖概述

圖1是一種先有技術(shù)超聲波液位傳感器的剖視圖；圖2是一種按照本發(fā)明的超聲波液位傳感器的剖視圖；以及圖3是按照本發(fā)明的超聲波液位傳感器的支撐結(jié)構(gòu)的詳細(xì)剖視圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式圖1是一種先有技術(shù)超聲波液位傳感器10的剖視圖。傳感器10包括支撐結(jié)構(gòu)12、超聲波發(fā)射換能器(晶體)14和超聲波接收換能器(晶體)16。換能器14和16這樣安裝于支撐結(jié)構(gòu)12，以使它們跨越間隙20發(fā)射和接收超聲波信號(hào)22，并沿桿18發(fā)射和接收超聲波信號(hào)23。傳感器14與間隙20之間及傳感器16與間隙20之間的界面稱為傳感器體窗口。
發(fā)射換能器14經(jīng)由電氣引線32連接于發(fā)射器30。發(fā)射器30向換能器14周期性地供給電子發(fā)射脈沖。當(dāng)發(fā)射器30向換能器14發(fā)出一個(gè)發(fā)射脈沖時(shí)，該脈沖給換能器14賦能，使它按其固有頻率諧振。換能器14發(fā)出分別穿過間隙20和桿18的超聲波信號(hào)22和23。穿過間隙20的超聲波信號(hào)是用來(lái)檢測(cè)液體的主波形而穿過桿18的信號(hào)是自測(cè)試波形。接收換能器16把超聲波信號(hào)22和23轉(zhuǎn)換成一些電信號(hào)，這些電信號(hào)經(jīng)電氣引線36供給接收器34。
當(dāng)間隙20沒有液體時(shí)，主波形的衰減明顯地大于有液體時(shí)的衰減。在超過幾kHz的高頻下吸收特別大。當(dāng)間隙20是空的時(shí)候，穿過該間隙的信號(hào)基本上為零。當(dāng)間隙20充滿液體時(shí)，換能器16收到該主波形。該主波形使換能器16諧振并產(chǎn)生電氣信號(hào)。因而，在接收換能器16處有無(wú)該主波形就代表著間隙20中有無(wú)液體。
通過檢查穿過桿18的超聲波信號(hào)23，能監(jiān)測(cè)超聲波傳感器10的狀態(tài)。如果換能器16和18工作并正確地耦合于支撐結(jié)構(gòu)12，則自測(cè)試信號(hào)23應(yīng)具有某種預(yù)定的特性(例如超過一預(yù)定的最小值的信號(hào)強(qiáng)度)。如果桿18由金屬構(gòu)成，則該預(yù)定特性是相對(duì)恒定的。然而，如果用諸如聚合物、樹脂等(即“塑料”)非金屬材料來(lái)構(gòu)成結(jié)構(gòu)12，則該結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性質(zhì)遭受由于諸如溫度之類外部影響的很大變化。這些變化不僅大，而且從某一批生產(chǎn)的材料到另一批是相當(dāng)不可預(yù)測(cè)的，使得難于對(duì)這些變化進(jìn)行可靠的補(bǔ)償。
本發(fā)明提供一種超聲波自測(cè)試信號(hào)波導(dǎo)，該波導(dǎo)經(jīng)傳感器殼體的橋部延伸，并在聲學(xué)上把該發(fā)射換能器與該接收換能器耦合。
圖2是一種按照本發(fā)明的超聲波傳感器40的剖視圖。傳感器40的許多元件與傳感器10的相同，圖2的標(biāo)號(hào)反映了這種相同性。然而，支撐結(jié)構(gòu)12可以是非金屬的，這并不有損于該傳感器的自測(cè)試操作。傳感器40包括經(jīng)橋部18在換能器14和換能器16之間延伸的超聲波耦合元件42。超聲波耦合元件42超波導(dǎo)的作用并在換能器14與16及兩個(gè)傳感器體窗口之間傳送超聲波信號(hào)。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，超聲波耦合元件42是由一種具有超聲波信號(hào)傳送特性的材料制成的，該特性在應(yīng)用的溫度范圍內(nèi)就諸如溫度之類的外部影響而言是相當(dāng)穩(wěn)定的。金屬就是這樣的一種耦合元件。在其中支撐構(gòu)件12為諸如聚合物、樹脂之類(即塑料)非金屬的場(chǎng)合，超聲波耦合元件42為自測(cè)試期間的使用在換能器14和換能器16之間提供可靠而穩(wěn)定的超聲波耦合。
圖3表示超聲波傳感器40的支撐結(jié)構(gòu)12的詳細(xì)剖視圖。引線32和36是屏蔽的，一般為同軸電纜。換能器14和16分別用聲學(xué)匹配層44和46耦合于間隙20。一般來(lái)說(shuō)，層44和46由環(huán)氧樹脂組成。
按照本發(fā)明的超聲波耦合元件42在換能器14與16之間提供聲學(xué)耦合。元件42以很低的衰減在換能器14與16之間傳送超聲波信號(hào)。元件42包括金屬元件48和聲學(xué)隔離層50。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，金屬元件48為由例如銅制成的導(dǎo)線而隔離層50為環(huán)繞元件48的特氟隆管層(tubing)。金屬元件48伸進(jìn)聲學(xué)匹配層44和46中并有位于換能器14與間隙20之間的第一端和位于換能器16與間隙20之間的第二端。支撐結(jié)構(gòu)12充以絕緣材料52，如環(huán)氧樹脂或硅合成(syntactic)泡沫塑料。聲學(xué)隔離層50將能吸收自測(cè)試信號(hào)的絕緣材料52與元件48的中間部分分離開。在一個(gè)實(shí)施例中，聲學(xué)隔離層50由聚四氟乙烯聚合物組成。
在操作中，超聲波耦合元件42在換能器14與16之間提供超聲波耦合。耦合元件42在換能器14與16之間傳送超聲波信號(hào)。
本發(fā)明在一個(gè)超聲波液位傳感器的換能器之間提供自測(cè)試波形的可靠傳送。該超聲波耦合元件在換能器之間提供穩(wěn)定的超聲波耦合，以使自測(cè)試不被諸如溫度之類的外部影響所損壞。這使得該傳感器的支撐結(jié)構(gòu)可以由塑料之類的具有無(wú)法預(yù)測(cè)的聲學(xué)特性的材料制成。
雖然已經(jīng)對(duì)照一些最佳實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本專業(yè)的技術(shù)人員將會(huì)明白，可以在形式上或細(xì)節(jié)上進(jìn)行改動(dòng)而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種超聲波液體傳感器，它包括一個(gè)殼體，該殼體圍繞該殼體外側(cè)的一個(gè)間隙布置，液體能流進(jìn)該間隙以便檢測(cè)；在鄰近該間隙的殼體內(nèi)側(cè)隔開布置的第一和第二超聲波耦合材料層；第一和第二換能器，這些換能器分別與該第一和第二層接觸，并沿穿過該間隙的第一路徑傳送聲能以檢測(cè)液體，以及沿該殼體內(nèi)的第二路徑傳送聲能以測(cè)試換能器功能；其中該第二路徑包括在該殼體內(nèi)的一個(gè)金屬元件，該元件從其在該第一層中的第一端經(jīng)該元件的中間段到其在該第二層中的第二端之間耦合聲能；以及一個(gè)聲學(xué)隔離層，該隔離層將該中間段從與該殼體和絕緣材料的接觸中分開來(lái)。
2.權(quán)利要求1的超聲波液體傳感器，其中該殼體由一種非金屬材料制成。
3.權(quán)利要求2的超聲波液體傳感器，其中該非金屬材料是一種樹脂。
4.權(quán)利要求3的超聲波液體傳感器，其中該樹脂是特氟隆。
5.權(quán)利要求1的超聲波液體傳感器，其中該聲學(xué)隔離層由聚四氟乙烯樹脂制成。
6.權(quán)利要求1的超聲波液體傳感器，其中該金屬元件由銅制成。
7.權(quán)利要求1的超聲波液體傳感器，它包括用來(lái)給該第一換能器賦能的裝置；以及用來(lái)監(jiān)測(cè)由該第二換能器所接收的該第一換能器所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)的裝置。
8.權(quán)利要求7的超聲波液體傳感器，它包括自測(cè)試裝置，用于根據(jù)從該第一換能器經(jīng)該金屬元件向該第二換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)來(lái)測(cè)試該超聲波液體傳感器的完整性。
9.權(quán)利要求1的超聲波液體傳感器，其中該金屬元件的第一端位于該第一換能器與一個(gè)鄰近該間隙的傳感器體窗口之間，而該金屬元件的第二端位于該第二換能器與一個(gè)鄰近該間隙的傳感器體窗口之間。
10.一種超聲波液體傳感器，它包括一個(gè)殼體，該殼體圍繞一個(gè)間隙布置，液體能流進(jìn)該間隙中以便檢測(cè)。一個(gè)第一超聲波換能器，該換能器被鄰近該間隙地裝在該殼體中；一個(gè)第二超聲波換能器，該換能器被鄰近該間隙地裝在該殼體中，該第一和第二超聲波換能器用于沿穿過該間隙的第一路徑傳送能量以檢測(cè)液體并用于沿該殼體內(nèi)的第二路徑傳送能量以測(cè)試傳感器的完整性；以及一個(gè)超聲波耦合元件，該元件在該殼體內(nèi)于該第一換能器與該第二換能器之間延伸，由此形成該第二路徑。
11.權(quán)利要求10的超聲波液體傳感器，其中該超聲波耦合元件包括一個(gè)金屬元件，該元件從該第一換能器經(jīng)該元件的中間段到該第二換能器來(lái)耦合聲能；以及一個(gè)聲學(xué)隔離層，該隔離層將該中間段從與絕緣材料的接觸中分開來(lái)。
12.權(quán)利要求11的超聲波液體傳感器，其中該聲學(xué)隔離層由特氟隆制成。
13.權(quán)利要求11的超聲波液體傳感器，其中該金屬元件由銅制成。
14.權(quán)利要求10的超聲波液體傳感器，它包括分別在該間隙與該第一和第二換能器之間的第一和第二超聲波耦合材料層，其中該超聲波耦合元件在聲學(xué)上耦合于該第一和第二層。
15.權(quán)利要求10的超聲波液體傳感器，其中該殼體由一種非金屬材料制成。
16.權(quán)利要求10的超聲波液體傳感器，它包括用來(lái)給該第一換能器賦能的裝置；以及用來(lái)監(jiān)測(cè)由該第二換能器所接收的該第一換能器所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)的裝置。
17.權(quán)利要求16的超聲波液體傳感器，它包括自測(cè)試裝置，用于根據(jù)從該第一換能器經(jīng)該超聲波耦合元件到該第二換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)來(lái)測(cè)試超聲波傳感器的完整性。
全文摘要
一種超聲波液位傳感器(40)包括一個(gè)用于自測(cè)試的耦合元件(42)。該傳感器(40)包括一個(gè)間隙(20)和一對(duì)由該間隙(26)隔開的換能器(14，16)。該傳感器(40)檢測(cè)該間隙(20)中液體的存在。超聲波耦合元件(42)在這兩個(gè)換能器(14，16)之間延伸并在聲學(xué)上把它們耦合在一起。該耦合元件(42)用來(lái)測(cè)試超聲波傳感器的完整性。
文檔編號(hào)G01F25/00GK1129977SQ94193222
公開日1996年8月28日 申請(qǐng)日期1994年7月25日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月30日
發(fā)明者勞倫斯·瓊斯, 伯里斯·若塞爾森, 阿萊克斯·埃辛 申請(qǐng)人:基-雷/森索爾有限公司