CN1703929A - 超声波传感器 - Google Patents

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桥本雅彦
永原英知
铃木正明
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一个执行超声波的发射和/或接收的超声波换能器(2)，和形成超声波的传播路径的传播介质部分(6)。适当地设定传播介质部分(6)的密度ρ1和声速C1以及填充周围空间的流体的密度ρ2和声速C2，并且通过以适当的角度折射超声波，将超声波传播到流体中的损失减小到几乎为零。

Description

超声波传感器
技术领域
本发明涉及用于发射或接收超声波的超声波传感器，更具体地讲，涉及发射超声波的超声波发射机，或用于接收超声波的超声波接收机，或用于执行它们中的任何一个或二者的超声波发射机-接收机。
背景技术
近年来，超声波发射机-接收机在距离测量、物体检测、流量测量、机器人控制等领域中获得了广泛的工业应用。
作为第一个超声波发射机-接收机，日本专利特许公告6-101880中描述了一种超声波发射机-接收机。以下参考图10说明常用的超声波发射机-接收机的结构和操作。
图10是第一常用的超声波发射机-接收机的剖视图。在图10中，参考标号100代表超声波发射机-接收机，101代表超声波换能器，102代表声匹配层，和103代表外壳。
在图10的结构中，首先说明波发射过程中的操作。超声波换能器101经过信号线104接收从驱动电路(发射机电路701)给出的驱动信号，并且一般产生频率接近超声波换能器101的谐振频率的超声波振动。在超声波换能器101产生的超声波振动经过声匹配层102发送到超声波发射机-接收机周围的流体。声匹配层103是由一种具有介于周围流体的声阻抗和超声波换能器的声阻抗之间的声阻抗的材料构成的，并且具有提高对周围流体的波发射效率的功能。
一般将压电陶瓷用作产生超声波振动的超声波换能器101，并且它的声阻抗是，例如，大约30×106kg·m-2·s-1。当周围流体是空气或类似气体时，例如，空气的声阻抗是大约400kg·m-2·s-1，将声匹配层102的声阻抗设定到大约0.11×106kg·m-2·s-1，并且优选将厚度设定到估计超声波频率的波长的四分之一。
通常，为了形成具有介于压电陶瓷与空气的声阻抗之间的声阻抗的匹配层，使用一种通过将一种较低密度的材料(例如，玻璃气球或塑料气球)与树脂固化而获得的材料。
以下说明超声波接收过程中的操作。与超声波发射相反，通过周围流体传播并且到达超声波发射机-接收机100的超声波经过声匹配层102发送到超声波换能器101。超声波换能器101将超声波的动态动作转换成电信号，并且将信号经过信号线104发送到电处理部分(未示出)。
在上述的超声波发射机-接收机100的发射和接收操作过程中，超声波的发射和接收是在超声波换能器101和声匹配层102层压的方向上实施的，即，在声匹配层102的垂直方向上进行的。
作为第二常用的超声波发射机-接收机，例如，日本待审专利公开2000-304581中描了一种超声波流量计形式的超声波发射机-接收机。以下参考图11说明这种惯用超声波发射机-接收机的结构和操作。
图11是第二常用超声波发射机-接收机的剖视图。在图11中，104代表第一声匹配层，和105代表第二声匹配层。第一声匹配层104具有层压多个不同密度和声速的材料片层(104a，104b，104c，…)，并且材料是以声速大小递降的顺序层压的结构。
以下说明具有图11的结构的超声波发射机-接收机的操作。在波发射过程中，超声波换能器101通过从信号线(未示出)施加的驱动信号产生的超声波传播通过第一声匹配层104(104a，104b，104c，…)传播，并且进入第二声匹配层105。设定超声波通过层压第一声匹配层104的每一层(104a，104b，104c，…)的时间，以便使它们相等，并且超声波的波阵面在第一声匹配层104与第二声匹配层105之间的界面一致。也就是说，波在第二声匹配层105中以垂直于到第一匹配层104的界面的方向传播。
传播通过第二声匹配层105的超声波被第二声匹配层105与周围流体的界面之间的声速差折射，并且以改变的方向辐射到周围流体。
在波接收过程中，传播通过周围流体并且通过与波发射相反的过程到达超声波发射机-接收机100的超声波，在与第二声匹配层105的界面被折射，进入第二声匹配层105，并且经过第一声匹配层104被超声波换能器101转换成电信号。在这种情况下，有选择地接收了从波发射方向到达的声波。
由于利用折射改变了声波的方向，而把第二常用超声波发射机-接收机用于超声波流量计时，可以将超声波发射机-接收机与测量沟道的壁结合，因此，具有不会产生被测量的流体的流动紊乱的优点。
但是，存在着即使像第一常用超声波发射机-接收机那样使用了低密度的匹配层，当超声波从压电陶瓷之类的超声波换能器传播到空气之类的气体中时，也不可避免地发生传播损失，和波发射及接收效率降低的问题。难于使超声波从固体有效地传播到气体的原因在于，气体的声阻抗大大低于固体的声阻抗，并且即使***了匹配层，也会在界面不利地产生超声波的强烈反射。
此外，第二常用超声波发射机-接收机显示的利用折射实现超声波偏转的类型的超声波发射机-接收机存在着这样的问题，当偏转角度增大时，由于偏转角度造成的额外损失，产生的波发射和接收效率显著降低的结果，使得它实际上不能使用。
因此，考虑到上述问题作出了本发明，并且具有提供一种能够偏转超声波和具有高的波发射和接收效率的高灵敏度超声波传感器的目的。
发明内容
为了达到上述目的，如下构造本发明。
根据本发明，提供了一种用于对充满流体的周围空间进行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；和
填充在超声波传感器与周围空间之间的空间中的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径。
此外，根据本发明，提供了一种对充满流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；和
布置在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径，
其中传播介质部分的密度ρ1、传播介质部分中的声速C1、填充空间的流体的密度ρ2、和填充空间的流体中的声速C2满足表示为(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的关系。
根据本发明，还提供了一种用于对充满流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；
布置在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径；和
与传播介质部分接触布置的反射器，用于控制超声波的传播路径，其中
传播介质部分的密度ρ1、传播介质部分中的声速C1、填充空间的流体的密度ρ2、和填充空间的流体中的声速C2满足表示为(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的关系。
根据本发明，提供了一种超声波流量计，包括：
流量测量部分，具有定义了要测量的流体的沟道的内壁；
至少一个提供在流量测量部分的内壁封闭的沟道空间外部的超声波换能器，用于执行超声波的发射或接收；和
布置在超声波换能器与沟道空间之间的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径，其中
传播介质部分的密度ρ1、传播介质部分中的声速C1、要测量的流体的密度ρ2、和要测量的流体中的声速C2满足表示为(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的关系。
根据本发明的第二十七个方面，提供了一种超声波流量计包括：
流量测量部分，具有定义了气体的沟道的内壁；
一对提供在由流量测量部分的内壁封闭的沟道空间外部的超声波换能器，用于执行超声波的发射或接收；和
一对布置在一对超声波换能器的每一个与沟道空间之间的传播介质部分，用于折射超声波的传播路径，
传播介质部分包括面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区，和面对沟道空间的第二表面区，
传播介质部分的第一表面区在沟道空间中气体的流速的方向上倾斜，和第二表面区近似平行于沟道空间中的气体的流速方向。
根据本发明的第二十九个方面，提供了一种用于对充满流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；和
填充在超声波换能器与周围空间之间的空间中的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径，其中
传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区，和面对填充周围空间的流体的第二表面区，并且传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区倾斜。
附图说明
通过以下参考附图，结合优选实施例的说明，将对本发明的这些和其它方面以及特征有更清楚的理解，其中；
图1A是根据本发明第一实施例的超声波发射机-接收机的总体透视图；
图1B是沿垂直于第一实施例的超声波发射机-接收机的长度方向的，图1A的B-B线的剖面图；
图2是显示超声波在超声波发射机-接收机的传播介质部分与其周围空间中的流体之间的界面的折射的剖视图；
图3A是根据本发明第二实施例的超声波发射机-接收机的总体透视图；
图3B是沿第二实施例的超声波发射机-接收机的圆柱体中心线的剖视图；
图3C是显示第二实施例的超声波发射机-接收机的超声波换能器的电极结构的一个例子的透视图；
图4A是根据本发明第三实施例的一个超声波发射机-接收机的总体透视图；
图4B是沿第三实施例的图4A的超声波发射机-接收机的圆柱体中心线的剖视图；
图5A是本发明第三实施例的另一个超声波发射机-接收机的总体透视图；
图5B是沿第三实施例的图5A的超声波发射机-接收机的圆柱体的中心线的剖视图；
图6A是根据本发明第四实施例的超声波发射机-接收机的总体透视图；
图6B是沿第四实施例的超声波发射机-接收机圆柱体中心线的剖视图；
图6C是包括第四实施例的另一个圆柱体超声波发射机-接收机的中心轴线的剖视图；
图6D是显示第四实施例的超声波发射机-接收机的超声波换能器的电极表面的一个例子的透视图；
图7是根据本发明第五实施例的超声波发射机-接收机的局部剖开的透视图；
图8A和8B是根据本发明第六实施例的超声波发射机-接收机的总体视图；
图9A，9B和9C是当把根据本发明第七实施例的超声波发射机-接收机应用到不同场合时的说明图；
图10是一个常用超声波发射机-接收机的剖视图；
图11是另一个常用超声波发射机-接收机的剖视图；
图12A和12B是沿根据本发明第八实施例的超声波流量计的长度方向的剖视图，和沿垂直于第八实施例的超声波流量计的长度方向的图12A的B-B线的剖视图；
图13是显示超声波在传播介质部分与要测量的流体之间的界面上折射的视图；
图14是根据本发明第九实施例的超声波流量计的剖视图；
图15A，15B和15C是显示根据本发明第八和第九实施例的修改例子的超声波流量计的剖视图；
图16A和16B是根据本发明第八和第九实施例的另一个修改例子的超声波流量计的剖视图；和
图17是一个常用超声波流量计的剖视图。
具体实施方式
在说明本发明之前，应当注意，在所有附图中相同的参考标号代表相同的部件。
在下面参考附图说明本发明的优选实施例之前，首先说明本发明的各个方面。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于对充满流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；和
填充在超声波换能器与周围空间之间的空间中的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于对充满流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；和
布置在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径，
其中传播介质部分的密度ρ1、传播介质部分中的声速C1、填充空间的流体的密度ρ2、和填充空间的流体中的声速C2满足表示为(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的关系。
根据本发明的第三方面，提供了如第二方面中定义的超声波传感器，其中传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区和面对填充周围空间的流体的第二表面区，并且传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区倾斜。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于对充满流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器；
布置在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分，用于形成超声波的传播路径；和
与传播介质部分接触布置的反射器，用于控制超声波的传播路径，其中
传播介质部分的密度ρ1、传播介质部分中的声速C1、填充空间的流体的密度ρ2、和填充空间的流体中的声速C2满足表示为(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1的关系。
根据本发明的第五方面，提供了如第四方面中定义的超声波传感器，其中传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区，面对填充周围空间的流体的第二表面区，和至少一个布置在超声波的传播路径中第一表面区与第二表面区之间、并且与反射器接触的第三表面区，并且传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区和第三表面区中的至少一个倾斜。
根据本发明的第六方面，提供了如第一至第五方面中的任何一个定义的超声波传感器，其中传播介质部分的密度ρ1，超声波到传播介质部分与填充周围空间的流体之间的界面的入射角θ1，填充周围空间的流体的密度ρ2，和超声波从界面到填充周围空间的流体的进入角θ2近似满足表式为ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1的关系。
根据本发明的第七方面，提供了如第一至第五方面中的任何一个定义的超声波传感器，其中传播介质部分是由无机氧化物或有机聚合物的干凝胶形成的。
根据本发明的第八方面，提供了如第六方面中定义的超声波传感器，其中使干凝胶的固体框部分是疏水的。
根据本发明的第九方面，提供了如第七方面中定义的超声波传感器，其中干凝胶的密度不大于500kg/m3，并且干凝胶的平均孔径不大于100nm。
根据本发明的第十方面，提供了如第一至第五方面中的任何一个中定义的超声波传感器，包括：提供在超声波换能器与传播介质部分之间的声匹配层，用于将超声波换能器与传播介质部分声匹配。
根据本发明的第十一方面，提供了如第一至第五方面中的任何一个中定义的超声波传感器，其中填充周围空间的流体是一种具有不大于10kg/m3的密度ρ2的气体。
根据本发明的第十二方面，提供了如第一至第五方面中的任何一个中定义的超声波传感器，其中超声波的发射或接收方向几乎平行于第二表面区。
以下说明本发明的实施例。
(第一实施例)
以下参考附图详细说明作为根据本发明的第一实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机。
本发明人发现，如果在超声波发射机-接收机中利用适当的材料制造的传播介质部分适当地折射超声波，那么超声波可以从固体传播到流体(具体地讲，气体)，而几乎不会在界面造成损失的事实，从而得出了本发明。
在根据本发明的第一实施例的超声波发射机-接收机中，将传播介质部分布置在超声波换能器与填充周围空间的流体之间，传播介质部分具有平行于超声波换能器的振动表面的平面(第一表面区)，和与填充周围空间的流体接触的平面(第二表面区)。应当注意，在本申请的说明书和权利要求的范围内，术语“填充周围空间的流体”的意思是，一种至少与第二表面区接触的流体，并且不是必须表示充满超声波传感器(例如，产生发射机-接收机)的整个周围的流体，而是表示填充了周围的一部分的流体。
首先，参考图1A和1B说明根据本发明的第一实施例的超声波发射机-接收机。图1A示出了第一实施例的超声波发射机-接收机1的总体透视图，图1B示出了超声波发射机-接收机1沿图1A的B-B’线的剖视图。
图1A和1B中所示的超声波发射机-接收机1带有：超声波换能器2，用于将电信号转换成超声波振动或将超声波振动转换成电信号；传播介质部分6，布置在周围空间中的流体与超声波换能器2之间，并且形成超声波的传播路径；声匹配层3，布置在超声波换能器2与传播介质部分6之间，并且在超声波换能器2与传播介质部分6之间提供声阻抗的匹配；换能器外罩4，将超声波换能器2容纳在其中并且同时用作对超声波换能器2的电传导路径；绝缘部分10，布置在端子板9x上，用于防止两个对超声波换能器2提供输入和输出信号的信号线5之间电短路；和容纳两个信号线5的一部分、超声波换能器2、传播介质部分6、声匹配层3、和换能器外罩4的外壳9。外壳9是由一个圆柱形侧面部分9y以及固定到侧面部分9y的下端部，并且起到外壳9的一部分的功能的端子板9x构成的，圆柱形侧面部分9y被切割掉一部分，从而相对于图1A和1B中所示的轴线方向倾斜规定的角度。
传播介质部分6填充在由端子板9x和侧面部分9y构成的外壳9封闭的空间中，位于换能器外罩4的外部并且不是布置在空间内的声匹配层3，并且具有面对声匹配层3及超声波换能器2(注意，它直接面对声匹配层3)的第一表面区7，和面对填充周围空间的流体的第二表面区8。此外，传播介质部分6的第二表面区8相对于第一表面区7倾斜规定的角度，以便不与第一表面区7平行。在这种情况下，作为一个例子，规定的角度是一个大于0°小于90°的角度，优选是小于80°。在第一实施例中，假设传播介质部分6的密度是ρ1，传播介质部分6的声速是C1，填充周围空间的的流体的密度是ρ2，和填充周围空间的流体的声速是C2，那么选择传播介质部分6的材料，以便满足表达式(1)示出的关系：
(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1           …(1)
当流体是空气或类似气体时，很难找到满足上述条件的材料。原因是几乎没有声速C1小于气体声速C2的固体材料。在第一实施例中，为了提供满足上述条件的传播介质部分6，用无机氧化物或有机聚合物的干凝胶形成传播介质部分6。使第一实施例中使用的干凝胶的固体框部分是疏水的，并且其密度不大于500kg/m3。这种干凝胶是具有不大于100nm的平均孔径的纳米孔干凝胶(纳米孔干凝胶)。
无机氧化物的干凝胶的固体框部分优选至少具有氧化硅(二氧化硅)或氧化铝(矾土)的成分。此外，有机聚合物的干凝胶的固体框部分可以是由一般热固性树脂或热塑性树脂构成的。例如，可以使用聚氨基甲酸脂，聚脲，苯酚固化树脂，聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯，等等。
在传播介质部分6是由具有，例如，二氧化硅的主成分的纳米孔干凝胶构成的情况下，如果ρ1是200kg/m3，那么声速C1可以设定在大约100m/s至180m/s的范围内。当填充周围空间的流体是空气的时候，由于空气的密度ρ2是1.22kg/m3，并且声速C2是340m/s，所以通过采用上述传播介质部分6，能够同时满足表示为ρ2＜ρ1和C1＜C2的关系，和满足(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)表达的关系。当测量天然气之类的气体时，传播介质部分6优选具有从100至300kg/m3范围的密度ρ1，和100至300m/s的声速C1。
超声波换能器2是一个压电元件，并且能够通过产生超声波振动而产生电信号，和/或作为施加电信号的结果产生超声波。压电陶瓷适合用作压电材料。如果希望控制谐振特性和降低机械Q-值，那么可以在***布置减震器。
第一实施例的超声波发射机-接收机1具有通过在传播介质部分6与超声波换能器2之间提供声匹配层3改进作为超声波发生源的超声波换能器2与传播介质部分6之间的声匹配的功能。
在传播介质部分6是由具有二氧化硅的主成分的纳米孔干凝胶(声阻抗：3×104kg·m-2·s-1)构成的，并且超声波换能器1是由压电陶瓷(声阻抗：30×106kg·m-2·s-1)构成的情况下，通过采用从具有1×106kg·m-2·s-1左右的声阻抗的材料产生的声匹配层3，可以使超声波能的传播效率几乎等于1，或实际不小于0.95。上述材料可以通过将中空玻璃球或多孔陶瓷与一种树脂材料固化产生的复合材料提供。优选将声匹配层3的厚度设定到使用的超声波的波长的四分之一。
此外，在第一实施例的超声波发射机-接收机1中，将超声波换能器2容纳在换能器外罩4中，同时将超声波换能器2粘接到换能器外罩4的上表面的内侧，并且把声匹配层3粘接到换能器外罩4的上表面的外侧，构成一种层压结构。换能器外罩4优选是由不锈钢之类的导电金属材料形成的，并且通过把厚度设定到不大于估计的超声波的波长的1/10，或优选不大于1/20，可以将超声波换能器2与声匹配层3之间的声匹配保持在满意的状态。
换能器外罩4通过电焊之类的处理方法粘结到外壳9的端子板9x，并且可以具有填充着干燥氮、氩之类的惰性气体的密封结构。利用上述布置，超声波换能器2与外部空气环境物理地绝缘，使得可靠性大大提高。此外，提供了一种电屏蔽结构，从而即使在填充周围空间的流体是天然气之类的可燃流体时，也能够确保高的安全性。
接下来，参考图2详细说明超声波从传播介质部分6传播到填充周围空间的流体的行为。
根据上述布置关系，超声波从面对超声波发射机-接收机1的振动表面并且平行于振动表面的第一表面区7的正交方向进入。因此，超声波沿相对于作为传播介质部分6与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8的正交方向倾斜的方向进入。假设超声波相对于第二表面区8的正交方向的入射角度是θ1(0°＜θ1＜90°)。此时，超声波在作为传播介质部分6与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8折射，并以相对于正交方向的角度θ2(进入角)(θ1＜θ2)进入要测量的流体。
在第一实施例中，设定各种参数(ρ1，θ1和θ2)，以便在给出填充周围空间的流体的密度ρ2时，几乎满足以下表达式(2)给出的关系。
(ρ2/ρ1)＝(cotθ2/cotθ1)                …(2)
利用上述设定，超声波能从传播介质部分6到填充周围空间的流体的传播效率几乎是1。此时，入射角θ1满足以下表达式(3)表示的条件。
(cotθ1)2＝[(C1/C2)2-1]/[(ρ2/ρ1)2-(C1/C2)2]        (3)
因此，如果确定了传播介质部分6的ρ1和C1以及填充周围空间的流体的ρ2和C2，那么可以根据表达式(3)确定入射角θ1。此外，如果确定了入射角θ1，那么也能根据表达式(2)确定进入角θ2。如果确定了入射角θ1和进入角θ2，那么也可以确定传播介质部分6的第二表面区8的倾斜角度等等。
上述事实也可以应用到接收通过填充周围空间的流体传播的超声波的情况，因此，可以有选择地接收从进入角度θ2的方向到达的超声波。
在第一实施例中，通过形成上述材料的传播介质部分6，可以将传播介质部分6的声速C1设定到180m/s，并且可以把密度ρ1设定到200kg/m3。在周围空间是充满空气的普通空间的情况下，空气的密度ρ2是1.22kg/m3，并且声速C2是340m/s。因此，根据表达式(2)和表达式(3)的关系，将入射角θ1设定到32°，和把进入角θ2设定到89°是适当的。由于进入角度θ2接近90°，所以，在空气中发射的超声波几乎平行于作为超声波的传输表面的第二表面区8传播。因此，在第一实施例中，发射和接收超声波的方向指向图1A的箭头90的方向，如图1A中所示，箭头90的方向是沿包括第二表面区8的平面中的线段B-B’的方向。
根据第一实施例，在作为传播介质部分6与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8中几乎没有传播损失，因此，在这个界面上不需要它们的声阻抗彼此匹配。因此，从传播介质部分6的内部发射的超声波在作为传播介质部分6与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8折射，使得超声波能够在沿着包括第二表面区8的平面的方向偏转。此外，在第二表面区8中几乎没有传播损失，因此，可以提供具有高的波发射和接收效率的高灵敏度的超声波传感器。
应当注意，传播介质部分6不需要由密度ρ1和声速C1在整体上是均匀的材料构成，而是可以具有多种具有不同密度ρ1和声速C1的材料层压在一起的层压结构。当具有上述层压结构时，有时会出现超声波不是直线传播通过传播介质部分6的情况，但是，这不会产生问题。重要的一点是设定传播介质部分6的密度ρ1和声速C1以及入射角度θ1，以在邻接传播介质部分6与要测量的流体之间的界面的区域中满足上述表达式。
接下来，说明第一实施例的超声波发射机-接收机的操作。
首先，当波发射到填充周围空间的流体时，具有接近谐振频率的(例如，大约100kHz至1MHz)频率的ac电压，脉冲电压，或脉冲串电压经过信号线5从同时用作图9C中所示的驱动电路的发射机电路701施加到超声波换能器2(图9C中，81)。通过这种操作，在超声波换能器2中激励产生接近谐振频率的振动，并且振动在几乎是1的效率的条件下，通过换能器外罩4和声匹配层3，作为超声波辐射到传播介质部分6。通过传播介质部分6传播的超声波在作为传播介质部分6与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8折射，并以几乎是1的效率的状态，辐射到填充周围空间的流体。
接下来，当接收通过填充周围空间的流体传播并且到达超声波发射机-接收机1的超声波时，相对于从波发射方向传播的超声波，接收路径与波发射路径相反。进入发射机-接收机1的超声波在几乎是1的效率的条件下到达超声波换能器2，并且转换成电信号，和通过信号线5发送到外部电路(例如，接收机电路702)。
根据第一实施例，提供了表现出适当密度ρ1和声速C1的传播介质部分6，并且超声波以适当的角度折射。因此，使得物质之间的界面上的传播损失几乎是零，使得能够在满意的信噪比完成流量测量。此外，根据第一实施例，通过利用传播介质部分6适当地折射超声波，使得能够通过气体(例如，氢气等)发射和接收超声波，并且在界面上几乎不产生损失，这种超声波的发射和接收在现有的超声波发射机-接收机中是极难实现的，因此，使得能够对这些气体进行流量测量。
此外，在第一实施例的超声波发射机-接收机1中，从传播介质部分6发射的超声波在作为传播介质部分6与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8上折射，并且使超声波的发射和接收方向偏转到沿包括第二表面区8的平面的方向。因此，例如，在流量计中，可以不用有关将发射机-接收机安装到测量沟道中的突起和凹槽，并且可以构造没有流体紊流的流量计。此外，即使在流量计安装时对准具有水平部分的各种设备的水平面时，也能用流量计在水平方向上检测物体。
(第二实施例)
以下参考图3A，3B和3C说明作为根据本发明的第二实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机。图3A是第二实施例的超声波发射机-接收机11的外观的透视图。图3B是包括圆柱形超声波发射机-接收机11的中心轴的剖视图。图3C是显示超声波换能器12的电极结构的一个例子的透视图。第二实施例和第一实施例的相同的构件使用了相同的参考标号。传播介质部分6A相对于第一实施例的传播介质部分6，外壳9A对应于第一实施例的外壳9。
以下，说明第二实施例的超声波发射机-接收机11的特征点，并且不再对与第一实施例的超声波发射机-接收机1相同的部分以及上述对应部分进行说明。
在第二实施例的超声波发射机-接收机11中，圆柱形侧面部分9z固定到盘形端子板9x，构成了外壳9A，提供了一种对称于环绕固定到端子板9x的中心的中心轴9a的轴线的结构。因此，将布置在外壳9A的盘形端子板9x上的超声波换能器12和声匹配层13构造成圆环形。此外，进一步提供了一个作为外壳9A的一部分并且其中心部分连接到中心轴9a的盘形保护部分15，以保护第二表面区8。在外壳9A与保护部分15之间提供有一个圆环形开口14，并且在箭头90A的方向上，通过开口14发射和接收超声波。一个位于外壳9A内部并且不是超声波换能器12和声匹配层13的空间几乎被传播介质部分6A充满。此外，传播介质部分6A具有面对声匹配层13和超声波换能器12的第一表面区7(注意，第一表面区7直接面对声匹配层13)，和面对填充周围空间的流体的第二表面区8。此外，传播介质部分6A的第二表面区8相对于中心轴9a以规定的角度从周边向中心一侧近似均匀地倾斜，使得第二表面区8不平行于第一表面区7。
在第二实施例中，超声波的具体发射和接收是以类似于第一实施例的高效率进行的，从而可以产生与第一实施例相同的效果。与第一实施例的差别在于，由于超声波发射机-接收机11具有对称于中心轴9a的结构，所以能够取得环绕中心轴9a的全向波发射和接收。当周围空间充满气体时，波发射和接收几乎是水平的，并且可以应用到全向物体感测，等等。
图3C示出了超声波换能器12的电极结构的一个例子，并且参考标号16代表构造在电极表面上的分段电极部分。通过如图3C中所示的分段电极部分16，可以控制振动产生部分。因此，用超声波在圆周方向进行扫描成为可能，并且可以应用到以规定的方向感测物体，等等。
允许在形成在前和后侧的电极部分16的至少一个表面上进行电极部分的分割。此外，通过分割换能器12本身布置超声波换能器12也能获得相同的效果。尽管在图3C中电极部分16的分割数量是四个，但是分割的数量是任意的，并且没有必要提供相同的形状或对称的形状。
(第三实施例)
以下参考图4A和4B以及图5A和5B说明作为根据本发明第三实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机。图4A示出了第三实施例的超声波发射机-接收机21的外观的透视图。图4B示出了圆柱形超声波发射机-接收机21的包括器中心轴线的剖视图。图5A示出了第三实施例的另一个超声波发射机-接收机31的外观的透视图。图5B示出了圆柱形超声波发射机-接收机31的包括器中心轴9b的剖视图。第三实施例与上述第一和第二实施例的相同的构件使用了相同的参考标号。应当注意，传播介质部分6B和6C对应于上述实施例的传播介质部分6或6A，并且外壳9B和9C对应于上述实施例的外壳9或9A。
以下说明第三实施例的超声波发射机-接收机21和超声波发射机-接收机31的特征点，并且不再对与第一实施例的超声波发射机-接收机1和第二实施例的超声波发射机-接收机11相同的部分以及上述对应部分进行说明。
在第三实施例的超声波发射机-接收机21的外壳9B中，如图4A和4B中所示，端子板9x固定到圆柱形侧面部分9g的下端，和中心部分具有圆形开口24的盘形上板9h固定到侧部分9g的上端，从而外壳9B是环绕虚拟中心轴，对称于该轴线构成的。固定到外壳9B的侧面部分9g的内表面的超声波换能器22和声匹配层23被构成为圆柱形。此外，将传播介质部分6B容纳和布置在外壳9B中，使得传播介质部分6B不向外壳9B的盘形上板9b的中心开口24的内部突出，以通过外壳9B的整体保护第二表面区8，并且通过外壳9B的上板9b的中心开口24在箭头90B的方向上执行超声波的发射和接收。也就是说，用传播介质部分6B填满了位于外壳9B的内部并且不是超声波换能器22、声匹配层24、以及中心部分的空间。此外，传播介质部分6B具有面对声匹配层23和超声波换能器22的第一表面区7(注意，第一表面区7直接面对声匹配层23)，和面对填充周围空间的流体的第二表面区8(在图4B中，第二表面区8面对中心部分中的空间)。此外，传播介质部分6B的第二表面区8以规定的角度倾斜，形成一个圆锥表面，使得第二表面区8相对于中心轴线从上端到下端大致均匀地扩大，并且不与第一表面区7平行。
另一方面，如图5A和5B中所示，在第三实施例另一个超声波发射机-接收机31的外壳9C中，端子板9x固定到圆柱形侧面部分35的下端，并且一个盘形上板9i的中心部分固定到固定到端子板9x的中心部分的中心轴9b，从而使外壳9C成为环绕中心轴9b的轴线的对称结构。环绕中心轴9b固定的超声波换能器32和声匹配层33是圆柱形构造。此外，传播介质部分6C容纳和布置在外壳9C中，使得传播介质部分6C不突出到外壳9C的上板9i的周边之外，以通过作为固定到外壳9C的端子板9x的圆柱形侧面部分的保护部分35，保护第二表面区8。在外壳9C与保护部分35之间提供有一个圆环形开口34，并且通过开口34在箭头90C的方向上执行超声波的发射和接收。也就是说，用传播介质部分6C填充位于外壳9C内部并且不是超声波换能器32、声匹配层33、和周边部分的空间。此外，传播介质部分6C具有面对声匹配层33和超声波换能器32的第一表面区7(注意，第一表面区7直接面对声匹配层33)，和面对填充周围空间的流体的第二表面区8(在图5B中，第二表面区8面对周边部分中的空间)。此外，传播介质部分6C的第二表面区8以规定的角度倾斜，形成一个锥形面，使得第二表面区8相对于中心轴线从下到上大致均匀地扩大，并且不与第一表面区7平行。
在第三实施例中，超声波的具体发射和接收是以与第一和第二实施例相同的高效率进行的，并且可以产生与第一和第二实施例相同的效果。与第二实施例的差别在于，超声波的发射和接收是在超声波发射机-接收机21和31的前向方向上(图4B和5B中向上的方向)进行的，并且可以应用到具体的普通超声波发射机-接收机。
(第四实施例)
以下参考图6A，6B，6C和6D说明作为根据本发明第四实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机。图6A示出了第四实施例的超声波发射机-接收机41和超声波发射机-接收机51的外观的透视图。图6B是包括其中心轴的圆柱形超声波发射机-接收机41的剖视图。图6C是第四实施例的包括其中心轴的另一个圆柱形超声波发射机-接收机51的剖视图。图6D示出了第四实施例的超声波发射机-接收机的超声波换能器42和52的电极表面的一个例子的透视图。第四以及第一至第三实施例中相同的构件使用了相同的参考标号。应当注意，传播介质部分6D和6E对应于以前的实施例的传播介质部分6，6A，等等。外壳9D和9E对应于以前的实施例的外壳9，9A，等等。
以下说明第四实施例的超声波发射机-接收机41和超声波发射机-接收机41的特征点，并且不再对那些与第一实施例的超声波发射机-接收机1和第二实施例的超声波发射机-接收机11和21相同的部分以及上述对应部分进行说明。
在第四实施例的超声波发射机-接收机41的外壳9D中，如图6A和6B中所示，端子板9x固定到圆柱形侧面部分9g的下端，并且截头圆锥形的反射器44固定到端子板9x的中心部分，从而使得外壳9D具有环绕反射器44的中心轴线对称的结构。固定到外壳9D的侧面部分9g和端子板9x的内表面的超声波换能器42和声匹配层43是圆柱形的，并且声匹配层43布置在超声波换能器42的内侧。此外，传播介质部分6D容纳和布置在外壳9D内，使得传播介质部分6D不会从外壳9D的反射器44的上端表面以及侧面部分9g的上端表面突出。此外，传播介质部分6D具有平行于超声波换能器42的振动表面的第一表面区7，和与填充周围空间的流体接触的第二表面区8，并且通过第三表面区45与邻接传播介质部分6D提供的反射器44接触。
反射器44是由不锈钢之类的金属材料构成的，并且当传播介质部分6是由具有，例如，二氧化硅的主成分的纳米孔干凝胶构成的时候，第三表面区45中的反射效率几乎为1。对于反射器44，相对于第一表面区7和第二表面区8设定一个倾斜角，使得超声波到第二表面区8的入射角能够满足表达式(3)。
用接近谐振频率的振动激励超声波换能器42，作为超声波的振动通过声匹配层43在几乎为1的效率的条件下，向传播介质部分6D的中心一侧辐射。通过传播介质部分6D传播的声波在作为到反射器44的界面的第三表面区45上以几乎为1的效率反射，其反射的方向大致转向第二表面区8一侧，然后在作为传播介质部分6D与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8上折射，并且以几乎为1的效率辐射到填充周围空间的流体。
此外，当接收通过填充周围空间的流体传播并且到达超声波发射机-接收机41的超声波时，相对于从波发射的方向传播的超声波，使用了与波发射相反的路径。以几乎为1的效率进入超声波发射机-接收机41的第二表面区8的超声波，通过传播介质部分6D传播，并且以几乎为1的效率在作为到反射器44的界面的第三表面区45上反射传播，其传播方向大致转向超声波换能器42一侧，并且到达超声波超声波换能器42，然后，通过超声波换能器42转换成电信号。
通过上述构造，超声波发射机-接收机41也能够向和从填充周围空间的流体高效率地发射和接收超声波，并且能够产生与第一实施例相同的效果。
另一方面，如图6A和6C中所示，在第四实施例的另一个超声波发射机-接收机51的外壳9E中，端子板9x固定到横截面为矩形的圆柱形反射器54的下端，一个柱形中心轴9k固定到端子板9x的中心部分，和一个盘形上端板9m如同一个突出的突缘一样固定到中心轴9k的上端，使得外壳9E具有环绕反射器54的中心轴线对称的结构。固定到外壳9E的中心轴9k和上板9m以及端子板9x的内表面的超声波换能器52和声匹配层53是圆柱形的，并且声匹配层53布置在超声波换能器52的内侧。此外，传播介质部分6E容纳和布置在外壳9E中，使得传播介质部分6E不会突出到外壳9E的反射器54的上表面和上板9m的上表面以上。此外，传播介质部分6E具有平行于超声波换能器52的振动表面的第一表面区7，和与填充周围空间的流体接触的第二表面区8，并且通过第三表面区55与邻接传播介质部分54提供的反射器54接触。反射器54具有与反射器44相同的材料和倾角。
用接近谐振频率的振动激励超声波换能器52，并且在几乎为1的效率的条件下，作为超声波的振动通过声匹配层53向传播介质部分6E的周围辐射。通过传播介质部分6E传播的超声波在作为到反射器54的界面的第三表面区55上，以几乎为1的效率传播，其传播方向大致转向第二表面区8一侧，在作为传播介质部分6E与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8上折射，然后以几乎为1的效率辐射到填充周围空间的流体。
此外，当接收传播通过填充周围空间的流体并且到达超声波发射机-接收机51的超声波时，相对于从波发射方向传播的超声波，使用了与波发射相反的路径。以几乎为1的效率进入超声波发射机-接收机51的第二表面区8的超声波，传播通过传播介质部分6E，并以几乎为1的效率在作为到反射器54的界面的第三表面区55上反射传播，传播方向大致转向超声波换能器52一侧，并且到达超声波换能器52，然后通过超声波换能器52转换成电信号。
通过上述结构，超声波发射机-接收机51也能高效率地向和从填充周围空间的流体发射和接收超声波，并且可以产生与第一实施例相同的效果。
应当注意，可以布置多个第四实施例的反射器44和54，在这种情况下，从结构上讲，存在着多个第三表面区45和55。此外，在这种情况下，也能具有其中第一表面区7和第二表面区8彼此平行的结构，并且需要多个第三表面区45和55中的至少一个相对于第二表面区8倾斜规定的角度。
与第二实施例相同，超声波发射机-接收机41和超声波发射机-接收机51具有一种可以围绕中心轴线全向进行波发射和接收的结构。当用一种气体填充周围空间时，波发射和接收成为几乎水平的，并且可以用于全向物体感测等等。
此外，图6D示出了超声波换能器42和52的电极结构的一个例子。参考标号46代表构造在圆柱形超声波换能器42和52的内表面上的分段式电极，参考标号47代表构造在外侧表面上的共用电极。通过如图6D所示分段的电极部分46，可以控制振动产生部分。因此，在可以用超声波在圆周方向上扫描，并且可以用于在指定方向上的物体感测，等等。
如图6D中所示，允许在形成在内和外侧表面上的电极部分的至少一侧表面上分割电极区46。此外，通过分割换能器42和52本身而布置超声波换能器42和52，也能获得相同的效果。电极分割的数量是任意的，并且不需要提供相同的形状或对称的形状。
(第五实施例)
以下参考图7说明作为根据本发明第五实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机。图7是第五实施例的超声波发射机-接收机61的外观的透视图，也用作说明有关图7这一侧的平面A的内部结构的剖视图，平面A是被外壳的一个侧面部分覆盖的平面。此外，第五实施例以及第一至第四实施例中的相同的构件使用了相同的参考标号。应当注意，传播介质部分6F对应于第一实施例的传播介质部分6，6A，等等，外壳9F对应于第一实施例的外壳9，9A，等等。
以下说明第五实施例的超声波发射机-接收机61的特征点，并且不再对与第一实施例的超声波发射机-接收机1、第二实施例的超声波发射机-接收机11和21、第三实施例的超声波发射机-接收机31、第四实施例的超声波发射机-接收机41和51相同的部分，以及上述对应于部分进行说明。
在第五实施例的超声波发射机-接收机61中，将第四实施例的超声波发射机-接收机41和51的圆柱形或锥形部分制造成矩形。矩形板状端子板69x固定到矩形板状侧面部分69g的下端，矩形棱状反射器64固定到侧面部分69g的周围部分和端子板69x，如同突缘般突出的矩形盘状上板69m固定到矩形板状中心轴69k的上端，提供了相对于中心线C的对称结构。超声波换能器62和声匹配层63是矩形板，并且固定到中心轴69k的内表面，并且声匹配层63布置在超声波换能器62的外侧。传播介质部分6F具有平行于超声波换能器62的振动表面的第一表面区7，和与填充周围空间的流体接触的第二表面区8，并且通过第三表面区65与邻接传播介质部分6F提供的反射器64接触。反射器64具有与反射器44相同的材料和倾角。
第五实施例与第四实施例的不同之处在于，第五实施例的超声波发射机-接收机61中的超声波的发射和接收是在图7中的横向进行的，并且相对于中心线C对称。即使在这种情况下，也能将超声波通过对应的声匹配层63以几乎为1的效率辐射到传播介质部分6F，并且传播通过传播介质部分6F的超声波在作为到反射器64的界面的第三表面区65，以几乎为1的效率反射，将方向大致转向第二表面区8一侧。此外，超声波在作为传播介质部分6F与填充周围空间的流体之间的界面的第二表面区8折射，并以几乎为1的效率辐射到填充周围空间的流体。此外，相对于从波发射方向传播的超声波，具有与波发射路径相反的路径。以几乎为1的效率进入超声波发射机-接收机61的第二表面区8的超声波传播通过传播介质部分6F，并且在作为到反射器64的界面的第三表面区65以几乎为1的效率反射，到达超声波换能器62，然后被超声波换能器62转换成电信号。
通过上述构造，超声波发射机-接收机61也能够向和从填充周围空间的流体高效率地发射和接收超声波，并且可以产生与第一实施例相同的效果。此外，超声波发射机-接收机61具有能够在横向上进行波发射和接收的结构，并且，当用气体填充周围空间时，发射和接收波几乎是水平的，并且可以用于横向物体感测，等等。
(第六实施例)
以下参考图8A和8B说明作为根据本发明第六实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机。图8A和8B是多个布置的第六实施例的超声波发射机-接收机71-1，71-2，71-3和71-4的透视图，并且对第六实施例以及第一至第五实施例的共同构件给予了相同的参考标号。应当注意，传播介质部分6G对应于第一实施例的传播介质部分6，第五实施例的传播介质部分6F，等等，并且外壳9G对应于第一实施例的外壳9，第五实施例的外壳9F，等等。中心轴79k对应于第五实施例的中心板69k，和侧面部分79g对应于第五实施例的侧面部分69g。端子板79x对应于第五实施例的端子板69x，反射器74对应于第五实施例的反射器64，和上板79m对应于第五实施例的上板69m。
以下说明第六实施例的超声波发射机-接收机71-1，71-2，71-3和71-4的特征点，并且不再对与其它实施例相同的部分以及上述对应部分进行说明。
第六实施例的超声波发射机-接收机71-1，71-2，71-3和71-4具有一种沿中心线C将第五实施例的超声波发射机-接收机61分割开的结构。因此，尽管将超声波的发射和接收限制到一个方向，但是，仍然能够以类似于第五实施例的高效率执行超声波的发射和接收，并且能够产生与第一实施例相同的效果。当用气体填充周围空间时，波发射和接收几乎是水平的，并且能够应用于物体感测等等。
图8A示出了一种使用了四个超声波发射机-接收机71-1，71-2，71-3和71-4，以便能够在深度和横向方向上发射和接收超声波的结构，图8B示出了一种使用了三个超声波发射机-接收机71-1，71-2和71-3，以便能够以120度的间隔在三个方向上发射和接收超声波的结构。如图8A和8B中所示，通过在任意方向上布置多个超声波发射机-接收机71，可以控制应用的方向性，并且可以扩大应用的范围。
(第七实施例)
以下参考图9A，9B和9C说明作为根据本发明第七实施例的超声波传感器的一个例子的超声波发射机-接收机的应用设备。图9A示出了诸如清扫机器人之类的自行式机器人的障碍物检测***。图9B示出了汽车的周围障碍物检测***。图9C示出了应用到超声波流量计。
在图9A，9B和9C中，参考标号81，81A，81B，81D，和81E代表根据结合第一实施例、第二实施例、第四实施例、第五实施例、和第六实施例中的任何一个特别说明的，本发明的第七实施例的，能够在几乎水平的方向上进行超声波发射和接收的超声波发射机-接收机。参考标号82，82A，82B，82C，82D和82E代表超声波发射机-接收机81，81A，81B，81D，和81E发射和接收的超声波的方向性图区，83代表一个自行式机器人，84A，84B，84C，84D和84E代表障碍物，85代表汽车，和86代表测量沟道。
参考图9A，在超声波发射机-接收机81A中，外罩部分的一个表面几乎与邻接自行式机器人83的外罩部分的顶部的第二表面区8平齐地布置。如图9A中所示，根据本发明的第七实施例的超声波发射机-接收机8A，可以使超声波发射和接收波的方向性图区82A几乎与地板表面88A水平(平行)，并且能够在四周方向上执行扫描。因此，可以检测自行式机器人83四周方向中的所有障碍物，而无需环绕外罩部分分散地布置超声波发射机-接收机8A，或给外罩部分提供用于引导超声波发射机-接收机8A指向四周的专门机械***。
在图9B中，几乎与汽车85的车体的前后端的减震部分的下表面，和与靠近车体的顶部的前后端的部分的表面平齐地布置超声波发射机-接收机81D，81E，81B和81C，而无需提供任何专门的突起。与图9A类似，可以使发射和接收的超声波的方向性图区82D，82E，82B和82C几乎与地表面88B水平(平行)。因此，如图9B中所示，可以检测地面上处于汽车前后的盲点的障碍物，和诸如栏杆和标志牌之类的车顶障碍物84B和84C。此外，可以不给车顶部分特别提供用于超声波发射机-接收机的突起部分，或类似物，因此，不可能妨碍设计的自由度，等等。
在图9C中，与测量沟道86的内壁表面平齐地布置超声波发射机-接收机81。发射和接收的超声波的方向性图区82几乎与沟道平行，并且利用对立的超声波发射机-接收机81执行超声波的发射和接收。在这种情况下，由于不需要超声波发射机-接收机81直接地面对，所以无需在正常沟道中提供凹进部分和凸起部分，并且能够在稳定地保持在沟道中的流体的移动状态下，准确地测量流量。这将在以下的第八实施例中详细说明。提供了用于驱动超声波换能器81的发射机电路701，用于执行另一个超声波换能器81接收的超声波的放大、频带限制等的接收机电路702，用于改变发射和接收的方向的转换电路703，用于根据来自接收机电路702的输出测量传播时间的时间测量部分704，用于根据来自时间测量部分704的输出值获得流量的流量计算部分705，用于显示在流量计算部分705中计算的流量等等的显示部分706，和用于控制测量定时等等的控制部分707。因此，通过从一个超声波换能器81向另一个超声波发射机-接收机81发射超声波，和通过另一个超声波发射机-接收机81接收穿过诸如气体之类的要测量的流体的超声波，可以通过时间测量部分704测量超声波发射机-接收机81和81之间的传播时间。随后，反过来通过从另一个超声波换能器81向一个超声波换能器81发射超声波，和通过一个超声波发射机-接收机81接收穿过诸如气体之类的要测量的流体的超声波，可以通过时间测量部分704测量超声波发射机-接收机81和81之间的传播时间。如上所述，测量一对超声波换能器81和81之间的超声波的传播时间规定的次数，可以在流量计算部分705中根据该值通过流量计算部分705计算诸如气体之类的要测量的流体的流量。因此，超声波换能器81和81能够执行发射和接收。在这种情况下，从发射机电路701到控制部分707的元件构成了一个流量计算***。
(第八实施例)
以下参考图12A至17说明一个用于通过超声波测量流体的流量的超声波流量计，这个超声波流量计是作为根据本发明的第八实施例的超声波传感器的例子的超声波发射机-接收机的应用设备的一个例子。
在说明第八实施例的超声波流量计之前，参考一种现有的超声波流量计。
近年来，一直将超声波流量计用于煤气表和化学反应控制等，这种超声波流量计通过测量发射的超声波通过规定的传播路径的时间来测量流体的移动速度并且从测量值测量流量。
以下参考图17说明现有的超声波流量计的测量原理。在图17所示的超声波流量计中，管道中的流体以速度V在图17中的箭头V方向流动。一对超声波发射机-接收机401和402彼此相对地布置在超声波流量计的管壁403上。每个超声波发射机-接收机401和402带有一个用于将电能转换成机械能和把机械能转换成电能的换能设备(换能器)。这个换能设备是由，例如，压电陶瓷之类的压电换能器构成的，并且表现出与压电蜂鸣器和压电振荡器相同的谐振特性。
首先说明在把超声波发射机-接收机401用作超声波发射机和把超声波发射机-接收机402用作超声波接收机的情况下的超声波流量计的操作。
如果将具有频率接近超声波发射机-接收机401的谐振频率的AC电压施加到超声波发射机-接收机401的压电换能器，那么超声波发射机-接收机401把超声波辐射到管道中的流体。这个超声波沿传播路径L1传播，并且到达超声波发射机-接收机402。超声波发射机-接收机402的压电换能器接收这个超声波并且输出电压信号。
接下来，超声波发射机-接收机402作为一个超声波的发射机操作。具体地讲，通过把具有接近超声波发射机-接收机402的谐振频率的频率的AC电压施加到超声波发射机-接收机402的压电换能器，超声波发射机-接收机402将超声波辐射到管道中的流体。超声波沿传播路径L1传播，并且到达超声波发射机-接收机401。超声波发射机-接收机401的压电换能器接收这个超声波，并且输出电压信号。
如上所述，每个都是超声波换能器的超声波发射机-接收机401和402可以产生接收机的功能和发射机的功能。根据这种超声波流量计，当连续地施加AC电压时，连续地从超声波发射机-接收机辐射超声波，并且难于测量传播时间。因此，通常将具有脉冲信号的载波的短促脉冲电压信号用作驱动电压。
如果通过将驱动短促脉冲电压信号施加到超声波发射机-接收机401而从超声波发射机-接收机401辐射出超声波短促脉冲信号，那么这个超声波短促脉冲信号传播通过距离L的传播路径L1，并且在时间t过去之后到达超声波发射机-接收机402。
超声波发射机-接收机402仅能够将已经传播的超声波短促脉冲信号以高的信噪比转换成电短促脉冲信号。通过使用驱动短促脉冲电压信号作为触发器并且再次将驱动短促脉冲电压信号施加到超声波发射机-接收机401而辐射超声波短促脉冲信号。
将上述的设备称为“声循环设备(sing-around device)”。此外，将超声波脉冲从超声波发射机-接收机401到达超声波发射机-接收机402所需的时间称为“声循环周期”，并且将它的往复称为“声循环频率”。
假设在图17的超声波流量计中，管道中流动的流体的流速是V，流体中超声波的速度是C，和流体的流向与超声波脉冲的传播方向之间的角度是θ。此外，假设当把超声波发射机-接收机401用作发射机和把超声波发射机-接收机402用作接收机时，从超声波发射机-接收机401发射的超声波脉冲到达超声波发射机-接收机402所需的时间(声循环周期)是t1，和声循环频率是f1。此时，具有以下的表达式(4)。
f1＝1/t1＝(C+Vcosθ)/L             …(4)
相反，如果假设当把超声波发射机-接收机402用作发射机和把超声波发射机-接收机401用作接收机时，声循环周期是t2，声循环频率是f2，那么具有以下的表达式(5)的关系。
f2＝1/t2＝(C-Vcosθ)/L        …(5)
根据表达式(4)和表达式(5)，将两个声循环频率之间的频率差Δf用以下的表达式(6)表示。
Δf＝f1-f2＝2Vcosθ/L          …(6)
如从表达式(6)看到的，可以从超声波的传播路径的距离L和频率差Δf得到流体的流速V。那么，可以从流速V确定流量。
在图17的超声波流量计中，在超声波发射机-接收机的压电换能器中的超声波的发射和接收的表面上提供一个匹配层(未示出)。这是为了通过具有中间声阻抗的层(匹配层)减小要测量的流体与压电元件之间的固有声阻抗(此后称为“声阻抗”)的差，和抑制超声波在具有不同声阻抗的介质之间的界面上的反射。当超声波的传播路径中存在大的声阻抗差的界面时，将发生从超声波发射机-接收机发射的超声波不能充分进入要测量的流体的麻烦，并且这将不利地导致不能测量流量，或显著降低测量精度。因此，为了避免上述麻烦和提高超声波流量计的测量精度，适当地设定匹配层的声阻抗十分重要。声阻抗一般是由下面的表达式(7)定义的。
声阻抗＝(密度)×(声速)     …(7)
例如，产生超声波振动的压电换能器的声阻抗是大约30×106kg·m-2·s-1，空气的声阻抗是大约400kg·m-2·s-1。当测量空气的流速时，优选将匹配层的声阻抗设定到大约0.11×106kg·m-2·s-1。
通常为了形成具有压电换能器与空气声阻抗之间的声阻抗中间值的匹配层，使用通过将一种比较小密度的材料(例如，玻璃中空球或塑料中空球)与一种树脂固化得到的材料。
但是，存在着即使使用上述匹配层，当把超声波从压电换能器传播到空气之类的气体时，一定不可避免地发生传播损失，并且降低了测量灵敏度的问题。难于有效地从固体向气体有效地传播超声波的原因在于，气体的声阻抗显著小于固体的声阻抗，并且即使***匹配层也会在界面上发生超声波的强烈反射。
此外，在图17所示类型的超声波流量计中，在流量测量部分的沟道中需要有一个用于布置超声波发射机-接收机的空穴部分，而这个空穴部分的存在有时会导致要测量的流体的紊流。此外，由于流量本身会达到具有极小的量，对于微量化学分析需要将沟道制造得极其细微。在上述情况下，现有结构具有超声波发射机-接收机不能被布置在沟道中和不能用于最小量的流量测量的问题。
本发明的第八实施例是考虑到上述问题作出的，并且其目的是要提供一种也能够处理超小量的流量测量而不会扰乱作为流量测量部分的沟道内的流动的高灵敏度超声波流量计。
本发明的第八实施例的超声波流量计包括具有定义要测量的流体的沟道的内壁的流量测量部分，至少一个提供在被流量测量部分的内壁封闭的沟道空间外部和执行超声波的发射和/或接收的超声波换能器，和一个布置在超声波换能器与沟道空间之间并且带有形成超声波的传播路径的传播介质部分的超声波流量计。构造传播介质部分的密度ρ1，传播介质部分的声速C1，要测量的流体的密度ρ2，和要测量的流体的声速C2，以满足表达式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1表达的关系。
在一个优选实施例中，超声波换能器的数量是多个，布置多个超声波换能器中的第一超声波换能器以向多个超声波换能器中的第二超声波换能器发射超声波，和布置第二超声波换能器以向第一超声波换能器发射超声波。
在一个优选实施例中，传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区，和面对沟道空间的第二表面区，并且传播介质部分的第二表面区相对第一表面区倾斜。
在一个优选实施例中，传播介质部分的第一表面区在沟道空间中的要测量的流体的流速方向上倾斜，并且第二表面区平行于沟道空间中要测量的流体的流速的方向。
在一个优选实施例中，传播介质部分的第二表面区在它与流量测量部分的内壁之间的水准中实质上没有形成差别。
在一个优选实施例中，构造传播介质部分的密度ρ1，到传播介质部分与要测量的流体之间的界面的超声波的入射角θ1，要测量的流体的密度ρ2，和从界面到要测量的流体的进入角θ2，以便近似满足表达式ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1表示的关系。
在一个优选实施例中，要测量的流体是密度不大于10kg·m-3的气体。
在一个优选实施例中，传播介质部分是由无机氧化物或有机聚合物的干凝胶形成的。
在一个优选实施例中使干凝胶的固体框架成为疏水的。
在一个优选实施例中，干凝胶具有不大于500kg/m3的密度，并且干凝胶的平均孔径不大于100nm。
在一个优选实施例中，具有一个匹配层，这个匹配层提供在超声波换能器和传播介质部分之间，并声匹配超声波换能器与传播介质部分。
在一个优选实施例中，流量测量部分中的、在垂直于要测量的流体的流速方向的方向上测量的沟道空间的尺寸不大于要测量的流体中超声波的中心频率的波长的一半。
在一个优选实施例中，构造超换换能器，以便形成一个收敛声场。
在一个优选实施例中，传播介质部分的第一表面区是曲面的，以便形成透镜表面。
本发明的超声波流量计包括：具有定义气体沟道的内壁的流量测量部分；一对提供在流量测量部分的内壁封闭的沟道外侧、用于执行超声波的发射和/或接收的超声波换能器；和一对布置在一对超声波换能器中的每一个与沟道空间之间、用于折射超声波的传播路径的传播介质部分。传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区，和面对沟道空间的第二表面区。传播介质部分的第一表面区相对于沟道空间中气体的流速方向倾斜，并且第二表面区近似平行于沟道空间中气体的流速方向。
本发明人发现了如果在超声波发射机-接收机中使用由适当的材料制造的传播介质部分适当地折射超声波，那么可以几乎不在界面上造成损失地将超声波固体传播到流体(特别是，气体)的事实，并且想到本发明。
在根据本发明的第八实施例的超声波发射机-接收机中，具有在要测量的流体的流动方向上倾斜的表面(第一表面区)和几乎平行于要测量的流体的流动方向的表面(第二表面区)的传播介质部分布置在超声波换能器和要测量的流体之间。传播介质部分的第二表面区与定义流体的沟道的平面匹配，以便不会扰乱流体的流动。
以下参考附图说明本发明的第八实施例。
首先参考图12A和12B说明本发明第八实施例的超声波流量计。图12A示出了沿第八实施例的超声波流量计310的长度方向的剖面图。图12B示出了沿垂直于超声波流量计310长度方向的图12A的线B-B的剖面图。
所示超声波流量计310包括：具有定义了要测量的流体的沟道的内壁的管状流量测量部分304；一对提供在流量测量部分304的内壁340封闭的沟道空间309外部、用于执行超声波的发射和/或接收的超声波发射机-接收机(超声波换能器)301a和301b；和布置在超声波发射机-接收机301a和301b与沟道空间309之间、用于形成超声波的传播路径的传播介质部分303a和303b。假设要测量的流体以箭头305的方向在流量测量部分304的内壁340封闭的沟道空间309中流动。超声波发射机-接收机301a和301b是第一至第六实施例的超声波发射机-接收机中的任何一个。传播介质部分303a和303b对应于传播介质部分6，6A，6B，6C，6D，6E，6F和6G。应当注意，为了简洁起见没有示出外罩。
在第八实施例中，超声波发射机-接收机301a的超声波辐射表面在要测量的流体的流动方向305上倾斜，并且，从超声波发射机-接收机301a发射的超声波对角地入射到流量测量部分304的内壁。然后，超声波在传播介质部分303a与要测量的流体之间的界面上折射，并且通过传播路径306被超声波发射机-接收机301b接收。
如图12B中所示，第八实施例中的沟道空间309的截面(垂直于流动方向的截面)是矩形的。第八实施例的流量测量部分304是通过元件304a和304b与密封材料304c固化产生的。应当注意，沟道空间306的形状不限于所示的一种，而可以是另一种形状(例如，圆形)。
传播介质部分303a和303b具有面对超声波发射机-接收机301a和301b的超声波振动表面的第一表面区331，和面对沟道空间309的第二表面区332。在第八实施例中，假设传播介质部分303a和303b的密度是ρ1，传播介质部分303a和303b的声速是C1，要测量的流体的密度是ρ2，和要测量的流体的声速是C2，然后，适当地选择传播介质部分303a和303b的材料，以便满足下面的表达式(8)所示的关系。
(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1                 …(8)
当测量气体的流量时，很难找到满足上述条件的材料。原因在于，几乎没有其声速C1小于气体声速C2的固体材料。为了提供满足第八实施例中的条件的传播介质部分303a和303b，传播介质部分303a和303b是由无机氧化物干凝胶或有机聚合物的干凝胶形成的。使第八实施例中使用的干凝胶的固体框架是疏水的，并且它的密度不大于500kg/m3。这种干凝胶是一种具有不大于10nm的平均孔径的纳米孔干凝胶(纳米孔干凝胶)。
无机氧化物的干凝胶的固体框架部分优选至少具有氧化硅(二氧化硅)或氧化铝(矾土)的成分。此外，有机聚合物的干凝胶的固体框架部分可以是由一般热固性树脂或热塑性树脂构成的。例如，可以使用聚氨基甲酸脂，聚脲，苯酚固化树脂，聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯，等等。
在传播介质部分303a和303b是由具有，例如，二氧化硅的主要成分的纳米孔干凝胶形成的情况下，如果密度ρ1是200kg/m3，那么可以把声速设定在大约100m/s至180m/s的范围内。当要测量的流体是空气的时候，由于空气的密度ρ2是1.22kg/m3，并且声速C2是340m/s，所以，通过采用传播介质部分303a和303b，可以同时满足表达式ρ2＜ρ1和C1＜C2所示的关系，和满足(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1表达的关系。当测量诸如天然气之类的气体的流量时，传播介质部分303a和303b优选具有100至300kg/m3范围的密度ρ1，和100至300m/s范围的声速C1。
超声波发射机-接收机301a和301b具有起到超声波换能器作用的压电元件，并且可以执行超声波的发射和/或接收。可以适当地使用压电陶瓷作为压电元件。
在第八实施例的超声波流量测量单元310中，在传播介质部分303a与超声波发射机-接收机301a之间提供了一个匹配层302a，并且在传播介质部分303b与超声波发射机-接收机301b之间提供了匹配层302b。匹配层302a和302b具有改进作为超声波发射机-接收机301a和301b的超声波发生源的压电陶瓷(声阻抗：30×106kg·m-2·s-1)与传播介质部分303a和303b之间的声匹配的功能。
当形成具有二氧化硅主成分的纳米孔干凝胶(声阻抗：3×104kg·m-2·s-1)的传播介质部分303a和303b时，通过采用用具有大约1×106kg·m-2·s-1的声阻抗的材料产生的匹配层302a和302b，可以使得超声波能量的传播效率几乎是1，更具体地讲，是不小于0.95。上述材料可以通过由中空玻璃球与树脂材料固化获得的复合材料提供。优选将匹配层302a和302b的厚度设定到使用的超声波的波长的四分之一。
接下来，参考图13详细说明超声波从传播介质部分303a传播到要测量的流体的行为。
根据上述布置关系，超声波沿一个从传播介质部分303a与要测量的流体之间的界面S的正交方向倾斜的方向进入界面S。假设超声波相对于与界面的正交方向的入射角是θ1(0°＜θ＜90°)。此时，超声波在传播介质部分303a与要测量的流体之间的界面S折射，并且以相对于界面S的正交方向的角度(进入角)θ2(θ1＜θ2)进入要测量的流体。
在第八实施例中，当给出了要测量的流体的ρ2时，设定各种参数(ρ1，θ1，和θ2)以便近似满足下面的表达式(9)所示的关系。
(ρ2/ρ1)＝(cotθ2/cotθ1)            …(9)
通过上述设置，超声波能量从传播介质部分303a到要测量的流体的传播效率几乎成为1。此时，入射角θ1满足下面的表达式(10)所示的条件。
(cotθ1)2＝[(C1/C2)2-1]/[(ρ2/ρ1)2-(C1/C2)2]    …(10)
因此，如果确定了传播介质部分303a的ρ1和C1，以及要测量的流体的ρ2和C2，那么根据表达式(10)确定入射角θ1。此外，如果确定了入射角θ1，那么根据表达式(9)确定进入角θ2。
如果确定了入射角θ1和进入角θ2，那么也可以确定传播介质部分303a的第一表面区331的倾斜角度，和两个超声波发射机-接收机301a和301b之间的间隔，等等。
当接收超声波时，照样使用上述事实。
在第八实施例中，通过形成上述材料的传播介质部分303a和303b，可以把传播介质部分303a和303b的声速C1设定到180m/s，并把密度设定到200kg/m3。当测量空气的流量时，要测量的流体(空气)的密度ρ2是1.22kg/m3，和声速C2是340m/s。因此，根据表达式(9)和表达式(10)，将入射角θ1设定到32°，和把进入角θ2设定到89°是合适的。进入角θ2接近90°，因此，超声波在要测量的流体中以几乎平行于流动方向305的方向传播。
在第八实施例中，流量测量部分304的内壁340封闭的沟道空间309的大小H(见图12A)优选设定到不大于要测量的流体中的超声波的波长的一半的波长，理想的是，不大于四分之一的波长。通过将沟道空间309的大小设定到上述尺寸，由于声波在沟道空间309中的反射，可以限制传播模式的外观，并且可以提高测量精度。例如，当使用的超声波的波长λ是大约4mm，那么可以将沟道空间309的大小设定到2mm。在这种情况下，假设要测量的最低流速是1mm/s，并且传播时间的测量精度是1ns(毫微秒)，那么可以将超声波发射机-接收机301a和301b之间的横向间隔设定到大约120mm。
根据第八实施例，在传播介质部分303a和303b与要测量的流体之间的界面S上几乎没有传播损失，因此，不需要在这个界面S上匹配它们的声阻抗。
不需要用密度ρ1和声速C1彻底均匀的材料构造传播介质部分303a和303b，而是可以用具有多种不同的密度ρ1和声速C1的材料层层压在一起的层压结构。当具有上述层压结构时，尽管有时会出现超声波在传播介质部分303a和303b中不是直线传播的情况，但是不会有特别的问题。重要的一点是，适当地设定传播介质部分303a和303b的密度ρ1、声速C1，和入射角θ1，以便在邻接传播介质部分303a和303b与要测量的流体之间的界面的区域中，满足上述表达式。
此外，如图12A中所示，超声波流量测量单元310包括：用于驱动超声波换能器81的发射机电路701；用于执行其它超声波发射机-接收机81接收的超声波的放大、频带限制、等等的接收机电路702；用于改变发射和接收的方向的转换电路703；用于根据来自接收机电路702的输出测量传播时间的时间测量部分704；用于根据来自时间测量部分704的输出值计算流量的流量计算部分705；用于显示流量计算部分705中计算的流量等的显示部分706；和用于控制测量定时等的控制部分707。因此，通过将超声波从一个超声波换能器301a或301b发射到其它超声波发射机-接收机301b或301a，并且通过其它超声波发射机-接收机301b接收已经穿过气体之类的要测量的流体的超声波，可以通过定时测量部分704测量超声波换能器301a和301b之间的传播时间。接下来，通过将超声波从其它超声波换能器301b发射到一个超声波换能器301a，并且通过一个超声波换能器301a或301b接收已经穿过诸如气体之类的要测量的流体的超声波，可以通过时间测量部分704测量出超声波换能器301a和301b之间的传播时间。如上所述，将一对超声波换能器301a与301b之间的超声波传播时间测量规定次数，并且，在流量计算部分705中，用流量计算部分705根据该值计算诸如气体之类的要测量的流体的流量。因此，超声波换能器301a和301b可以执行发射和接收。在这种情况下，从发射机电路701到控制部分707的元件构成了一个流量计算***。
以下说明第八实施例的超声波流量计的操作。
首先，从同时用作图12B的驱动电路的发射机电路701将具有接近谐振频率(例如，大约100kHz至1MHz)的频率的AC电压施加到超声波发射机301a。通过这种操作，超声波发射机-接收机301a通过匹配层302a，以效率几乎为1的条件，将超声波辐射到传播介质部分303a。
已经传播通过介质部分303a的超声波在传播介质部分303a与沟道空间309之间的界面上折射，以几乎为1的效率在沟道空间中辐射，并且传播通过要测量的流体的内部。结果，超声波通过提供在相反一侧的传播介质部分303b和匹配层302b到达超声波发射机-接收机301b。超声波发射机-接收机301b将接收的超声波转换成电压，以产生电压信号(电信号)。根据这个电信号通过流量计算部分705测量超声波的传播时间，并且把流速转换成流量的方法，与现有技术的相同。在日本未审查专利申请2000-298045和日本未审查专利申请2000-298047中描述了驱动电路的结构的例子。
根据第八实施例，提供了表现出适当密度ρ1和声速C1，并且以适当的角度折射超声波的传播介质部分303a和303b。因此，可以使物质之间的界面的传播损失几乎为零，并且可以在满意的信噪比完成流量测量。而且，根据第八实施例，可以容易地测量气体(例如，氢气)的流量，而用现有的超声波流量计测量气体流量是极端困难的。
此外，根据第八实施例，在流量测量部分304的沟道空间309内，不存在导致流动紊乱的水平面的不均衡和差异，并且，可以获得极端稳定的流量测量。此外，由于超声波发射机-接收机布置在沟道空间309内，所以可以不依赖于超声波发射机-接收机的大小，任意地设计沟道空间309的尺寸。结果，可以减小沟道309的尺寸，以能够进行超微量的流量测量。
(第九实施例)
以下参考图14说明作为根据本发明的超声波传感器的一个例子的超声波流量计。图14示出了沿第九实施例的超声波流量计320的长度方向的剖视图。第九实施例和上述第八实施例的相同的构件使用了相同的参考标号。
以下说明第九实施例的超声波发射机-接收机320的特征点，并且与第八实施例的超声波流量计相同的部分不再给予说明。
在第九实施例的超声波流量计320中，构造超声波发射机-接收机301a和301b以便形成一个收敛的声场。具体地讲，弯曲传播介质部分308a和308b的第一表面区，以形成一个透镜表面。通过这种布置，匹配层308在被测量流体一侧具有凹型表面。通过上述构造，从超声波发射机-接收机301a发射的超声波被汇聚到传播介质部分308a的内侧。这种汇聚效果使得能够凭借相同性能的超声波换能器发射和接收具有更大声压的超声波，因此，可以进一步改进信噪比。
在上述第八和第九实施例的每一个中，传播介质部分的第一表面区331在要测量的流体在沟道空间309中流速的方向305上倾斜，并且第二表面区332平行于要测量的流体在沟道空间309中的流速方向305。但是，本发明不限于上述结构。例如，如图15A中所示，可以采用第二表面区332在要测量的流体在沟道空间309中流速方向305上倾斜的结构。根据上述构造，可以减小两个超声波发射机-接收机之间的间隔。但是，在图15A的构造中，在流量测量部分304的内壁340与传播介质部分303a和303b的第二表面区332之间形成水准差。为了减小或消除这种水准差，例如，如图15B和15C中所示，适当地在流量测量部分304的内壁340的一部分上形成倾斜表面，并且使得倾斜表面与传播介质部分303a和303b的第二表面区332匹配。
传播介质部分303a和303b的第二表面区332优选在它与流量测量部分304的内壁340之间没有水准差。但是，当流动的紊乱不构成主要问题时，如图16A和16B中所示，可以存在水准差或不平整。
在第八和第九实施例的每一个中，一对超声波发射机-接收机具有实质上相同的结构，并且采用了180°角的旋转对称布置。但是，本发明不限于上述结构。将第八和第九实施例的结构应用于一对超声波发射机-接收机中的一个，而给予另一个超声波发射机-接收机一种不同的结构(例如，图15A至15C中所示的结构)，也是可以接受的。此外，在第八和第九实施例中，通过使用超声波换能器作为超声波发射机-接收机，使得通过同一个超声波换能器不仅执行超声波的发射，而且也执行超声波的接收。但是，本发明的第八和第九实施例不限于上述结构。也可以接受将分离的超声波换能器用于波发射和波接收。
根据本发明的第八和第九实施例，超声波传播进入要测量的流体的损失可以减小到几乎是零，因此，可以用高的灵敏度测量包括气体在内的各种流体的流量。
此外，根据本发明的第八和第九实施例，不需要在沟道内侧提供水准差或不平整，因此，这些实施例也可处理极小量的流量测量，而不会扰乱要测量流体的流动。
根据本发明，提供了用于执行超声波的发射和/或接收的超声波换能器，和用于形成超声波的传播路径的传播介质部分。通过适当地设定传播介质部分的密度ρ1和声速C1与填充周围空间的流体的密度ρ2与声速C2之间的相互关系，并且以适当的角度适当地折射超声波，可以将超声波辐射到填充周围空间的流体中的损失减小到几乎为零，和/或可以将接收从填充周围空间的流体进入的超声波的损失减小到几乎为零。因此，对于包括气体在内的各种流体，可以获得高效的波发射和接收。此外，当流体是气体时，可以相对于超声波发射机-接收机的波发射和接收表面，几乎水平地(平行地)执行波发射和接收，并且本发明可以用于开发各种不同的应用。
通过适当组合上述各实施例的任意实施例，可以产生它们所具有的效果。
尽管参考附图结合本发明的优选实施例充分地说明了本发明，但是本领域的技术人员应当知道，可以有各种不同的改变和修改。这些改变和修改被认为是包括在所附权利要求所定义的本发明的范围内，除非它们脱离了所定义的范围。

Claims (29)

1.一种用于对填充着流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器(2，12，22，32，42，52，62，72)；和
填充在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分(6，6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G)，用于形成超声波的传播路径。
2.一种用于对填充着流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器(2，12，22，32，42，52，62，72)；和
布置在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分(6，6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G)，用于形成超声波的传播路径，
其中传播介质部分的密度ρ1，传播介质部分中的声速C1，填充空间的流体的密度ρ2，和填充空间的流体中的声速C2，满足表达式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1表示的关系。
3.根据权利要求2所述的超声波传感器，其中传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区(7)和面对填充周围空间的流体的第二表面区(8)，并且传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区倾斜。
4.一种用于对填充着流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器(42，52，62，72)；
布置在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分(6D，6E，6F，6G)，用于形成超声波的传播路径；和
与传播介质部分接触布置的反射器(44，54，64，74)，用于控制超声波的传播路径，其中
传播介质部分的密度ρ1，传播介质部分中的声速C1，填充空间的流体的密度ρ2，和填充空间的流体中的声速C2，满足表达式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1所示的关系。
5.根据权利要求4所述的超声波传感器，其中传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区(7)，面对填充周围空间的流体的第二表面区(8)，和至少一个布置在超声波的传播路径中第一表面区与第二表面区之间并且与反射器接触的第三表面区(45，55)，并且传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区和第三表面区中的至少一个倾斜。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的超声波传感器，其中传播介质部分的密度ρ1，超声波到传播介质部分与填充周围空间的流体之间的界面的入射角θ1，填充周围空间的流体的密度ρ2，和超声波从界面到填充周围空间的流体的进入角θ2，近似满足表达式ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1所示的关系。
7.根据权利要求1至5中的任何一项所述的超声波传感器，其中传播介质部分是由无机氧化物或有机聚合物的干凝胶形成的。
8.根据权利要求6所述的超声波传感器，其中使干凝胶的固体框架是疏水的。
9.根据权利要求7所述的超声波传感器，其中干凝胶的密度不大于500kg/m3，并且干凝胶的平均孔径不大于100nm。
10.根据权利要求1至5中的任何一项所述的超声波传感器，包括：提供在超声波换能器与传播介质部分之间的声匹配层(3，13，23，33，43，53，63，73)，用于超声波换能器与传播介质部分的声匹配。
11.根据权利要求1至5中的任何一项所述的超声波传感器，其中填充周围空间的流体是一种具有不大于10kg/m3的密度ρ2的气体。
12.根据权利要求1至5中的任何一项所述的超声波传感器，其中超声波的发射或接收方向几乎平行于第二表面区。
13.一种超声波流量计，包括：
流量测量部分(304)，具有定义了要测量的流体的沟道的内壁；
至少一个提供在由流量测量部分的内壁(340)封闭的沟道空间(309)外部的超声波换能器(301a，301b)，用于执行超声波的发射或接收；和
布置在超声波换能器与沟道空间之间的传播介质部分(303a，303b)，用于形成超声波的传播路径，其中
传播介质部分的密度ρ1，传播介质部分中的声速C1，要测量的流体的密度ρ2，和要测量的流体的声速C2，满足表达式(ρ2/ρ1)＜(C1/C2)＜1所示的关系。
14.根据权利要求13所述的超声波流量计，其中
提供了多个超声波换能器，
布置多个超声波换能器中的第一超声波换能器以向多个超声波换能器中的第二超声波换能器发射超声波，和
布置第二超声波换能器以向第一超声波换能器发射超声波。
15.根据权利要求13或14所述的超声波流量计，其中
传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区(331)和面对沟道空间的第二表面区(332)，和
传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区倾斜。
16.根据权利要求15所述的超声波流量计，其中
传播介质部分的第一表面区在沟道空间中要测量的流体的流动速度方向上倾斜，并且第二表面区平行于沟道中间中要测量的流体的流动速度的方向。
17.根据权利要求15或16所述的超声波流量计，其中传播介质部分的第二表面区基本上在第二表面区与流量测量部分的内壁之间没有形成水准差。
18.根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计，其中
传播介质部分的密度ρ1，超声波到传播介质部分与要测量的流体之间的界面的入射角θ1，要测量的流体的密度ρ2，和超声波从界面到要测量的流体的进入角θ2，近似满足表达式ρ2/ρ1＝cotθ2/cotθ1所示的关系。
19.根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计，其中要测量的流体是一种具有不大于10kg/m3的密度ρ2的气体。
20.根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计，其中传播介质部分是由无机氧化物或有机聚合物的干凝胶形成的。
21.根据权利要求20所述的超声波流量计，其中使干凝胶的固体框架部分是疏水的。
22.根据权利要求21所述的超声波流量计，其中干凝胶的密度不大于500kg/m3，和
干凝胶的平均孔径不大于100nm。
23.根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计，包括：提供在超声波换能器与传播介质部分之间的匹配层，用于超声波换能器与传播介质部分的声匹配。
24.根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计，其中流量测量部分中的沟道空间的大小，在垂直于要测量的流体的流速方向的方向上测量的大小，不大于中央频率的超声波在要测量的流体中的波长的一半。
25.根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计，其中超声波换能器形成了收敛声场。
26.根据权利要求24所述的超声波流量计，其中弯曲传播介质部分(308a，308b)的第一表面区，以便形成透镜表面。
27.一种超声波流量计，包括：
流量测量部分(304)，具有定义了气体的沟道的内壁；
一对提供在由流量测量部分的内壁(340)封闭的沟道空间(309)的外部的超声波换能器，用于执行超声波的发射或接收；和
一对布置在一对超声波换能器中的每一个与沟道空间之间的传播介质部分(303a，303b)，用于折射超声波的传播路径，
传播介质部分包括面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区(331)，和面对沟道空间的第二表面区(332)，
传播介质部分的第一表面区在沟道空间中的气体的流速方向上倾斜，和第二表面区几乎平行于沟道空间中气体的流速方向。
28.一种装置，包括：
根据权利要求13至16中的任何一项所述的超声波流量计；
用于将要测量的流体提供到超声波流量计的管道(304)和
用于显示超声波流量计测量的流量的显示部分(703)。
29.一种用于对填充着流体的周围空间执行超声波的发射或接收的超声波传感器，该传感器包括：
超声波换能器(2，22，32，42，52，62，72)；和
填充在超声波换能器与周围空间之间的传播介质部分(6，6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G)，用于形成超声波的传播路径，其中
传播介质部分具有面对超声波换能器的超声波振动表面的第一表面区(7)，和面对填充周围空间的流体的第二表面区(8)，并且传播介质部分的第二表面区相对于第一表面区倾斜。
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