[发明专利]用于超声波传感器的自测试设备

说明书

发明背景

本发明涉及一种超声波传感器，它用来测量位于一个空间中的材料的物理性质，更确切地说，涉及这样一个传感器的自测试。

已知的设置在容器中的超声波液位传感器包括一个传感器壳体，该壳体围绕其外侧上的一个间隙或槽口布置。当容器中的液位升高时，液体流进该间隙并通过穿过间隙中的液体来发射超声波能以此加以检测。壳体中的一对超声波换能器或晶体经一个树脂发射层并穿过间隙中的液体来发射声能，该树脂发射层把晶体粘接于壳体内侧并提供用来提高发射效率的声学阻抗匹配。在严酷的使用条件下，晶体可能失效或者发射层的粘接可能失效，所以有必要对这些失效进行测试。

除了穿过间隙中的液体这一发射路径外，还有在晶体之间经过壳体本身的第二发射路径。过去，沿着围绕间隙穿过金属壳体的这个第二路径的测试发射，曾是当间隙中没有提供发射的液体时用来测试传感器工作状态的满意手段。在属于Silvermetz等人的美国专利4,299,114中描述了这样一种自测试。

然而，当使用诸如聚合物、树脂之类(通常称为“塑料”)的非金属材料制作壳体时，用壳体本身作为测试发射路径就有问题了。这些非金属材料作为温度的函数而改变其声发射性质。这种变化可能很大，而且从某一批生产的塑料到下一批是相当不可预测的，使得难以开发对这种变化的可靠的电子补偿。

穿过该塑料所发射的测试信号在极端的温度下是不可预测的，会给出传感器有毛病的错误指示。因而在超声波传感器中有必要提供一种可靠的测试配置，该配置不依赖围绕间隙并穿过塑料壳体的测试信号的发射。

发明内容

本发明是一种用于超声波液位传感器的自测试设备。该传感器包括一个壳体，该壳体形成一个间隙。超声波耦合材料设置在邻近该间隙的壳体内侧，并承装第一和第二换能器。诸换能器通过跨越间隙的第一路径并通过第二路径发射超声波能。该第二路径包括一个金属元件，该元件在该第一和第二换能器之间提供超声波耦合。该第二路径用作传感器工作的自测试。

附图概述

图1是一种先有技术超声波液位传感器的剖视图；

图2是一种按照本发明的超声波液位传感器的剖视图；以及

图3是按照本发明的超声波液位传感器的支撑结构的详细剖视图。

本发明的最佳实施方式

图1是一种先有技术超声波液位传感器10的剖视图。传感器10包括支撑结构12、超声波发射换能器(晶体)14和超声波接收换能器(晶体)16。换能器14和16这样安装于支撑结构12，以使它们跨越间隙20发射和接收超声波信号22，并沿杆18发射和接收超声波信号23。传感器14与间隙20之间及传感器16与间隙20之间的界面称为传感器体窗口。

发射换能器14经由电气引线32连接于发射器30。发射器30向换能器14周期性地供给电子发射脉冲。当发射器30向换能器14发出一个发射脉冲时，该脉冲给换能器14赋能，使它按其固有频率谐振。换能器14发出分别穿过间隙20和杆18的超声波信号22和23。穿过间隙20的超声波信号是用来检测液体的主波形而穿过杆18的信号是自测试波形。接收换能器16把超声波信号22和23转换成一些电信号，这些电信号经电气引线36供给接收器34。

当间隙20没有液体时，主波形的衰减明显地大于有液体时的衰减。在超过几kHz的高频下吸收特别大。当间隙20是空的时候，穿过该间隙的信号基本上为零。当间隙20充满液体时，换能器16收到该主波形。该主波形使换能器16谐振并产生电气信号。因而，在接收换能器16处有无该主波形就代表着间隙20中有无液体。

通过检查穿过杆18的超声波信号23，能监测超声波传感器10的状态。如果换能器16和18工作并正确地耦合于支撑结构12，则自测试信号23应具有某种预定的特性(例如超过一预定的最小值的信号强度)。如果杆18由金属构成，则该预定特性是相对恒定的。然而，如果用诸如聚合物、树脂等(即“塑料”)非金属材料来构成结构12，则该结构的声学性质遭受由于诸如温度之类外部影响的很大变化。这些变化不仅大，而且从某一批生产的材料到另一批是相当不可预测的，使得难于对这些变化进行可靠的补偿。

本发明提供一种超声波自测试信号波导，该波导经传感器壳体的桥部延伸，并在声学上把该发射换能器与该接收换能器耦合。