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借助于傳感元件來測(cè)量液體的特性的傳感器和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于檢測(cè)尤其是用于車輛的液體燃料的密度或粘度的傳感器(2-2Ⅳ)，其包括被放置成與所述液體燃料接觸并位于參考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ,31)附近的傳感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，以便通過增加傳感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的粘性摩擦效力來影響液體燃料流的運(yùn)動(dòng)，使得所述傳感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的諧振頻率更多地被所述液體燃料的密度和粘度影響。
【專利說明】借助于傳感元件來測(cè)量液體的特性的傳感器和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器，尤其是本德爾（bender)型的傳感器，且涉及用于測(cè)量液體 (尤其是燃料，優(yōu)選是用于車輛的燃料）的特性的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 術(shù)語(yǔ)"bender"通常指由與非壓電柔性支撐物關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)壓電元件組成的 裝置，該非壓電柔性支撐物可以是導(dǎo)電的或絕緣的，取決于該元件的特定配置，其充當(dāng)對(duì)該 壓電元件的限制，從而將變形轉(zhuǎn)換成該裝置的垂直位移。本文描述的bender通常被限定為 "單態(tài)的"，因?yàn)閴弘娫c非壓電無源元件（也被稱為柔性支撐物）關(guān)聯(lián)。
[0003] 作為可選方案，可能使用兩個(gè)關(guān)聯(lián)的壓電元件，其被直接焊接到彼此或焊接到中 央無源元件，并被供電，使得一個(gè)元件的延伸相應(yīng)于另一元件的收縮。以這后一種方式配置 的Bender通常被稱為"雙態(tài)的"。
[0004] 單態(tài)裝置和雙態(tài)裝置在工作時(shí)，都在其一端處以"固定桿"模式或"懸臂"模式受 限制。這一概念可擴(kuò)展到在兩端處均受限制的薄板或更復(fù)雜的形狀，例如在其四端處均受 限制的十字形，或在極限情形中，具有無限小長(zhǎng)度的無限側(cè)面的形狀或在其周邊處受限制 的膜，例如圓形膜。
[0005] 由"bender"致動(dòng)器（不管是單態(tài)的還是雙態(tài)的）所提供的優(yōu)點(diǎn)是，使用壓電致動(dòng) 器可得到的位移可被放大到甚至大于一個(gè)數(shù)量級(jí)的倍數(shù)：例如，壓電元件的幾微米的內(nèi)在 變形可被一直放大到毫米級(jí)。這個(gè)特征對(duì)于在本申請(qǐng)中提出的傳感器的操作是重要的，因 為較大的位移意味著較高的測(cè)量靈敏度。
[0006] Bender可使用比體元件成本更低的技術(shù)來制造，如下面將解釋的，并可使用較低 的電壓供電，這對(duì)于汽車方面的應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵特征。
[0007] 眾所周知，液體的特性的連續(xù)測(cè)量具有重要的作用，因?yàn)槠涫沟糜锌赡軐?duì)將會(huì)涉 及液體的過程進(jìn)行優(yōu)化。一個(gè)例子是發(fā)生在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒過程；為了增加燃燒效 率，燃料的特征必須在燃燒發(fā)生之前是已知的。
[0008] 燃料的密度和粘度是用于調(diào)節(jié)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)等等的兩個(gè)重要參數(shù)。實(shí)際上，通過密 度能夠了解是否水（其具有不同的密度）已被添加到燃料，而通過粘度能夠驗(yàn)證燃料是否 可通過噴射系統(tǒng)被最佳地霧化或成霧狀。
[0009] 當(dāng)使用從工廠得到的柴油機(jī)燃料時(shí)，粘度測(cè)量變得更加重要，柴油機(jī)燃料中的石 蠟含量比礦物燃料更豐富；已知粘度值，如果太粘滯，在燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)被霧化或成霧 狀之前，我們可通過加熱燃料來干預(yù)粘度值，從而不阻塞燃料導(dǎo)管和/或噴射器。由Shih 等人在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》（Journal of Applied Physics) (vol. 89(2))中發(fā)表的文章"使 用壓電單懸臂同時(shí)確定液體粘度和密度（Simultaneous liquid viscosity and density determination with piezoelectric unimorph cantilevers)，'中描述了用于測(cè)量密度和 /或粘度的一個(gè)解決方案。該文章描述了 bender,其類似于在本專利申請(qǐng)中所主張的本發(fā) 明所使用的bender。
[0010] 在這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中描述的傳感器的一個(gè)局限是它的靈敏度差，其不能實(shí)現(xiàn)以 令人滿意的方式在一些應(yīng)用中檢測(cè)在液體燃料中的密度和/或粘度的變化，因?yàn)閎ender振 動(dòng)時(shí)的頻率的變化的范圍是有限的（僅僅幾赫茲（Hz)或幾十Hz)。
[0011] 而且，由于存在源自操作中的發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，測(cè)量靈敏度變得更加糟糕，操作中的 發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)可使bender振動(dòng)，從而進(jìn)一步增加進(jìn)入測(cè)量電路的噪聲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明目的在于通過提供新的傳感器和/或新的測(cè)量方法來解決這些問題和其 它問題，其中使用bender型元件。
[0013] 構(gòu)成本發(fā)明的基礎(chǔ)的一個(gè)理念是使用bender型元件檢測(cè)優(yōu)選地在車輛中的液體 的特性，所述bender型元件包括至少一個(gè)與壓電有源元件關(guān)聯(lián)的非壓電無源元件。
[0014] 構(gòu)成本發(fā)明的基礎(chǔ)的另一理念是提供用于檢測(cè)燃料和/或油或潤(rùn)滑油和/或添加 齊|J (例如燃燒和/或廢氣添加劑）的特性的bender型傳感器。
[0015] 構(gòu)成本發(fā)明的基礎(chǔ)的又一理念是使用優(yōu)選地位于離bender的接近距離處的輔助 元件（也被稱為參考元件）。
[0016] 以這種方式，由于參考元件的使用，使得有可能通過增加密度/粘度改變時(shí)出現(xiàn) 的諧振頻率變化（這引起傳感器的衰減程度的增加）來增強(qiáng)測(cè)量靈敏度。
[0017] 浸沒在液體中并被制造成通過外部施加的力

【權(quán)利要求】
1. 一種傳感器，用于檢測(cè)流體，尤其是用于車輛的流體，的至少一個(gè)特性，例如用于檢 測(cè)液體的密度或粘度，所述傳感器包括與所述流體接觸的傳感元件（4, 4111，4 w)，且其中所 述傳感元件（4, 4m，4W)的狀態(tài)被所述流體的所述特性例如密度或粘度中的至少一個(gè)影響， 且其中所述傳感元件（4, 4m，4w)包括本德爾型壓電有源元件（32, 32111)， 其特征在于， 所述傳感器包括與所述傳感元件（4,4m，4w)并列或在所述傳感元件（4,4m，4 w)附 近的至少一個(gè)參考元件（28, 28 1，28 11，28111)，以便與其一起限定流體路徑的至少一部分， 在此所述流體的至少一個(gè)特性將被檢測(cè)。
2. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述參考元件（28, 28 1，28 11，28111)實(shí)質(zhì) 上平行于所述傳感元件（4,4m，4 w)或其主體部分，或與所述傳感元件（4,4m，4w)或其主 體部分均勻地間隔開。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，還包括與所述有源元件（32, 32111)相 關(guān)聯(lián)的無源元件（31，31111)，當(dāng)檢測(cè)所述至少一個(gè)特性時(shí)，所述無源元件（31，31 111)與所述 有源元件（32, 32111)協(xié)作以與所述流體交互作用。
4. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述有源元件（32, 32111)實(shí) 質(zhì)上具有從下列項(xiàng)當(dāng)中選擇的形狀：平行六面體、十字形、多邊形、環(huán)形和圓形。
5. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述無源元件（31，31111)實(shí) 質(zhì)上具有從下列項(xiàng)當(dāng)中選擇的形狀：平行六面體、十字形、多邊形、環(huán)形和圓形。
6. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，還包括有與所述傳感元件 (4,4m，4w)相關(guān)聯(lián)的，用于檢測(cè)所述傳感元件（4,4 m，4w)的諧振頻率和/或在固定頻率 下的其振蕩的衰減的裝置。
7. 如權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，與所述傳感元件（4,4m，4w)關(guān)聯(lián)的用于 檢測(cè)所述傳感元件的諧振頻率和/或其振蕩的衰減的所述裝置包括測(cè)量電路或類似電路。
8. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，還包括至少一種保護(hù)元件 (29)，所述保護(hù)元件（29)能夠保護(hù)所述傳感元件（4, 4m，4w)尤其是免受由液體燃料流和 /或由分散在所述液體燃料中的微粒引起的任何擾動(dòng)。
9. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述參考元件 (28 1，28 11，28111)包括孔（28 1 a，28 11 a)，尤其是用于允許所述液體燃料隨著層流運(yùn)動(dòng)而流 動(dòng)的孔（28 1 a, 28 11 a)。
10. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，還包括基座或殼體（24)， 所述基座或殼體（24)具有至少部分地與包括在燃料導(dǎo)管（1)中的殼體底座（11)兼容的形 狀。
11. 一種燃料導(dǎo)管（1)，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的傳感器（2-2IV)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一項(xiàng)所述的傳感器的用途，用于檢測(cè)在導(dǎo)管、罐和過濾 器中的至少一個(gè)中的流體的至少一個(gè)特性。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器的用途，用于汽車應(yīng)用。
14. 一種檢測(cè)方法，用于借助于傳感器（2-2IV)來檢測(cè)流體尤其是用于車輛的流體的至 少一個(gè)特性，例如液體的密度或粘度， 其特征在于， 所述傳感器^巧包括傳感元件^彳^彳?^所述傳感元件^彳叱彳"包括本德 爾型壓電有源元件（32, 32m)，且其中所述方法包括下列步驟： a. 通過將峰值電壓VI施加到所述傳感元件（4, 4111，4 w )來測(cè)量所述傳感元件 (4, 4111，4 w)的第一諧振頻率； b. 通過將大于VI的峰值電壓V2施加到所述傳感元件（4, 4m，4w)來測(cè)量第二諧振頻 率； c. 估計(jì)所述流體的特性，例如所述液體或燃料的密度或粘度值，其中所述傳感元件 (4, 4m，4W)基于預(yù)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系而被浸沒在所述流體中。
15. -種檢測(cè)方法，用于借助于傳感器（2-2IV)檢測(cè)流體尤其是用于車輛的流體的至少 一個(gè)特性，例如液體的密度或粘度， 其特征在于， 所述傳感器^巧包括傳感元件^彳^彳?^所述傳感元件^彳叱彳"包括本德 爾型壓電有源元件（32, 32111)，且其中所述方法包括下列步驟： a. 當(dāng)所述傳感元件（4, 4m，4w)由對(duì)應(yīng)于其第一振動(dòng)模式的頻率Π 激勵(lì)時(shí)，測(cè)量第一 諧振頻率； b. 當(dāng)所述傳感元件（4,4m，4w)由對(duì)應(yīng)于其第二振動(dòng)模式的頻率f2激勵(lì)時(shí)，測(cè)量第二 諧振頻率； c. 估計(jì)所述流體的密度和粘度值，例如所述液體或燃料的密度或粘度值，其中所述傳 感元件（4, 4m，4w)基于預(yù)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系而被浸沒在所述流體中。
16. -種檢測(cè)方法，用于借助于傳感器（2-2IV)檢測(cè)流體尤其是用于車輛的流體的至少 一個(gè)特性，例如液體的密度或粘度， 其特征在于， 所述傳感器（2_2IV)具有不同的特征，并分別包括第一傳感元件（4,4m，4w)和第二傳 感元件（4,4111，41￥)，其中所述第一傳感元件（4,4111，4 1￥)包括第一有源元件（32,32111)，所 述第二傳感元件（4,4m，4 w)包括第二有源元件（32, 32111)，且其中所述方法包括下列步 驟： a. 測(cè)量所述第一傳感元件（4, 4m，4w)的諧振頻率； b. 測(cè)量所述第二傳感元件（4,4m，4w)的諧振頻率； c. 估計(jì)所述流體的密度和粘度值，例如所述液體或燃料的密度或粘度值，其中所述傳 感元件（4, 4m，4w)基于預(yù)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系而被浸沒在所述流體中。
17. 如權(quán)利要求14到16中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)傳感器 (2-2IV，4, 4m，4W)與至少一個(gè)參考元件（28, 28 1，28 11，28111)相關(guān)聯(lián)，其中所述至少一個(gè)參 考元件（28,28 ^28^28111)與所述至少一個(gè)傳感器（2-2IV，4,4m，4 w)并列，和/或與所 述至少一個(gè)傳感器（2-2IV，4, 4m，4w)協(xié)作，尤其是用于與所述流體交互作用，同時(shí)檢測(cè)所 述流體的至少一個(gè)參數(shù)和/或用于與其一起限定流體路徑的至少一部分，在此所述流體的 至少一個(gè)特性將被檢測(cè)。
18. 如權(quán)利要求14到17中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器 (2-2IV，4,4 m，4w)與多個(gè)所述參考元件（28,28 ^28^28111)相關(guān)聯(lián)，其中所述參考元件 (28,28 ^28^28111)優(yōu)選地不同于彼此，使得第一傳感器（2, 2111)將具有與第二傳感器 (2, 2m)不同的特征。
【文檔編號(hào)】G01N9/00GK104094098SQ201380007941
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月3日
【發(fā)明者】馬爾科·皮茲, 皮爾卡羅·梅拉諾, 馬泰奧·羅達(dá)諾, 埃瑞克·莫爾塔拉 申請(qǐng)人:埃爾特克有限公司