一种声学流体传感器

摘要

本发明的实施方式提供了一种声学流体传感器，该声学流体传感器包括：狭缝双板声学装置、超声波发射装置、超声波接收装置、计算处理装置和实验容器；其中，狭缝双板声学装置包括两个平行且间隔狭缝空间的基板，狭缝空间用于装盛待测流体，基板上设有等间距的凸条；狭缝双板声学装置浸没于环境流体中；超声波发射装置向环境流体中发射超声波，激励狭缝双板声学装置中的两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式，计算处理装置通过计算超声波频谱中共振透射增强峰的频点和幅度来确定待测流体的参数。本发明仅需微量待测流体，就具有较高高的灵敏度和品质因子，尤其对密度与声速度变化趋势相反的流体比较敏感。

权利要求

1.一种声学流体传感器，其特征在于，包括：狭缝双板声学装置、超声波发射装置、超声波接收装置、计算处理装置和实验容器；

所述狭缝双板声学装置包括两个基板以及设置于所述两个基板的第一面的间隔相等距离的若干凸条，所述两个基板的第二面平行且间隔一狭缝空间；所述狭缝空间用于装盛待测流体或标准流体；所述第一面为所述第二面的背面；

所述实验容器用于装盛环境流体；

所述狭缝双板声学装置浸没于所述环境流体中，且设置于所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间；

所述超声波发射装置向所述环境流体中发射超声波，当超声波的频率为所述声学流体传感器的工作频率时，激励所述狭缝双板声学装置中的所述两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在所述狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式；

所述超声波接收装置接收经过所述狭缝双板声学装置后的超声波；

所述计算处理装置分别计算所述狭缝空间中装盛待测流体和标准流体时接收到的超声波的频谱，并通过将所述狭缝空间中装盛待测流体时接收到的超声波的频谱中共振透射增强峰的频点和幅度，与所述狭缝空间中装盛标准流体时接收到的超声波的频谱中共振透射增强峰的频点和幅度分别进行比对，确定待测流体的参数。

2.根据权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述两个基板的端面抵接所述实验容器的内壁。

3.根据权利要求2所述的声学流体传感器，其特征在于，所述实验容器的内壁上设置有用于固定所述狭缝双板声学装置的卡槽。

4.根据权利要求3所述的声学流体传感器，其特征在于，所述超声波发射装置具有一超声波发射探头，所述超声波接收装置具有一超声波接收探头；

所述超声波发射探头和超声波接收探头分别正对于所述两个基板的第一面，且浸没于所述环境流体中。

5.根据权利要求4所述的声学流体传感器，其特征在于，所述超声波发射探头和超声波接收探头分别装设于所述实验容器的相对的两个内壁上。

6.根据权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述两个基板的第一面和第二面为矩形。

7.根据权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述凸条的截面为三角形、矩形、菱形、或半圆形。

8.根据权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述凸条为直线形或曲线形。

9.根据权利要求1所述的声学流体传感器，其特征在于，所述两个基板的密度、纵波声速、横波声速和厚度是按照如下过程确定的：设定所述声学流体传感器的工作频率；

设定若干标准流体，并确定每种标准流体的密度和声速；

提供若干基板型号，每个基板型号包括一密度数据、一纵波声速数据、一横波声速数据和一厚度数据，计算按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中的A0模式色散曲线，并根据计算出的A0模式色散曲线，确定按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率；

将按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率，与所述声学流体传感器的工作频率的最大值进行比较，并根据比较结果确定符合标准的基板型号，其中，按照符合标准的基板型号制作的基板在所有标准流体中产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率均大于或等于所述声学流体传感器的工作频率的最大值；

分别将符合标准的基板型号所包括的密度数据、纵波声速数据、横波声速数据和厚度数据，确定为所述基板的密度、纵波声速、横波声速和厚度。

10.根据权利要求9所述的声学流体传感器，其特征在于，按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中的A0模式色散曲线是采用如下公式计算的：Ψt-Ψ0＝0

k＝ω/c

kL2＝ω/cL2

kT2＝ω/cT2

kL1＝ω/cL1

其中，ω是声学流体传感器的工作频率，c是A0模式的声速，k为A0模式的波矢，cL1为标准流体的声速，cL2和cT2分别为基板的纵波声速和横波声速，ρ1为标准流体的密度，ρ2为基板的密度，h为基板的厚度。

11.根据权利要求10所述的声学流体传感器，其特征在于，所述两个基板的第二面之间的间距是按照如下过程确定的：计算当所述两个基板在每种标准流体中产生的非泄露A0模式Lamb波在所述狭缝空间中共振耦合形成对称模式的色散曲线时，所需的狭缝的间距。

12.根据权利要求11所述的声学流体传感器，其特征在于，所述狭缝的间距是采用如下公式计算的：(Ψt-Ψ0)[Ψctanh(σL1w/2)-Ψ0]-(Ψc-Ψ0)[-Ψttanh(σL1w/2)+Ψ0]＝0其中，w表示狭缝的间距。

说明书

一种声学流体传感器

技术领域

[0001] 本发明的实施方式涉及流体检测技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种声学流体传感器。

背景技术

[0002] 本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

[0003] 快速及精确分析微量流体中的成分和参数在生化检测、临床医学诊断、环境监测、食品安全监控等领域具有重要的应用价值，是当前及未来传感器领域的重要发展方向。目前，流体传感器主要分为物理参量提取和化学反应两种类型。其中，物理参量提取型主要分为光学传感器、声学传感器两种。光学传感器是通过检测流体的光学参量(如折射率、吸收率等)的变化量来分析流体的成分和参数，然而，由于光波穿透流体物质的深度有限，光学传感器在流体尤其是非透明流体的检测一直受到极大的限制。声学传感器是通过检测流体的声学参量(如密度、波速、粘度等)的变化量来分析流体的成分和参数，声波具有较好的穿透深度，对于非透明流体介质的传感，其具有光波不可比拟的优势。

[0004] 声人工结构(声子晶体、声超常材料等)是人工设计的复合结构材料，其利用周期结构中的布拉格散射、单体结构中的局域共振等效应，实现对声波、弹性波的灵活调控，是近年来物理学、材料学领域备受关注的研究热点。声人工结构的相关物理性质可以“人工裁剪”，为新型功能器件的研制提供了坚实物理基础，高灵敏传感器是声人工结构在新型功能器件的一个主要应用方向。

[0005] 目前已有人提出将声子晶体缺陷态、周期圆孔声子晶体板反常透射增强峰、声子晶体共振腔模式等用于声学流体传感器，实现对流体的探测与传感，但这种声学流体传感器存在品质因子低、对流体密度的变化不敏感等缺陷。

发明内容

[0006] 针对目前已有的利用声人工结构形成的声学流体传感器在品质因子和灵敏度方面表现不够好等问题，发明人在研究本发明的过程中发现这主要是现有的声学流体传感器所产生的局域场范围的尺寸与波长相当，局域场的强度较弱等原因导致，因此需要进一步研究更高品质因子的声人工结构，实现高灵敏传感器的研制。

[0007] 在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种声学流体传感器。

[0008] 在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种声学流体传感器，包括：狭缝双板声学装置、超声波发射装置、超声波接收装置、计算处理装置和实验容器；

[0009] 所述狭缝双板声学装置包括两个基板以及设置于所述两个基板的第一面的间隔相等距离的若干凸条，所述两个基板的第二面平行且间隔一狭缝空间；所述狭缝空间用于装盛待测流体或标准流体；所述第一面为所述第二面的背面；

[0010] 所述实验容器用于装盛环境流体；

[0011] 所述狭缝双板声学装置浸没于所述环境流体中，且设置于所述超声波发射装置和所述超声波接收装置之间；

[0012] 所述超声波发射装置向所述环境流体中发射超声波，当超声波的频率为所述声学流体传感器的工作频率时，激励所述狭缝双板声学装置中的所述两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在所述狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式；

[0013] 所述超声波接收装置接收经过所述狭缝双板声学装置后的超声波；

[0014] 所述计算处理装置分别计算所述狭缝空间中装盛待测流体和标准流体时接收到的超声波的频谱，并通过将所述狭缝空间中装盛待测流体时接收到的超声波的频谱中共振透射增强峰的频点和幅度，与所述狭缝空间中装盛标准流体时接收到的超声波的频谱中共振透射增强峰的频点和幅度分别进行比对，确定待测流体的参数。

[0015] 借助于上述技术方案，本发明提供一种声学流体传感器，该声学流体传感器具有由间隔狭缝的两个基板组成的声人工结构(即狭缝双板声学装置)，该声学流体传感器通过发射超声波激励狭缝双板声学装置中的两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式，超声波在经过狭缝双板声学装置之后其频谱中存在共振透射增强峰，由于该共振透射增强峰的频点和幅度会随着狭缝双板声学装置中装盛的待测流体的密度和声速度的变化发生明显偏移，因此通过计算该共振透射增强峰的频点和幅度，即可得出待测流体的相应参数。试验表明，相比于现有的声学流体传感器，本发明提供的声学流体传感器具有仅需微量待测流体，具有更高的灵敏度和品质因子，尤其对于密度与声速度变化相反的流体，该声学流体传感器具有较高的灵敏度。

附图说明

[0016] 通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

[0017] 图1为本发明提供的声学流体传感器的结构示意图；

[0018] 图2为狭缝双板声学装置的详细结构示意图；

[0019] 图3为理论计算出的按照基板型号制作的基板在标准流体中的A0模式色散曲线；

[0020] 图4为实施例一的声学流体传感器的三维立体示意图；

[0021] 图5为实施例一的声学流体传感器的俯视图；

[0022] 图6为实施例一提供的待测流体的透射谱图；

[0023] 图7为实施例一提供的不同摩尔浓度的待测流体与相应透射峰的共振频率变化关系图；

[0024] 在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

[0025] 下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[0026] 在本文中，需要理解的是，所涉及的术语“待测流体/标准流体的参数”是指待测流体/标准流体的成分、密度、粘度、摩尔浓度等参数。此外，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

[0027] 发明原理

[0028] 在两块表面设有微扰结构、且间隔狭缝的基板组成的声人工结构中注入流体，通过声波的激发，每个基板的非泄露(non-leaky)A0模式Lamb波在狭缝中共振耦合形成对称强局域模式，声波在经过这种声人工结构后，其频谱中可观察到共振透射增强峰，且这种共振透射增强峰的频点和幅度会随着流体的密度和声速度的变化(尤其是密度)发生明显偏移。通过将待测流体(成分、密度、粘度、摩尔浓度等参数中的一项或多项为未知)对应的这种共振透射增强峰与若干种标准流体(成分、密度、粘度、摩尔浓度等参数均为已知)对应的这种共振透射增强峰进行对比，就可以倒推出待测流体的相应参数。

[0029] 由于这种声人工结构的强局域声场局域在远小于波长的狭缝空间，可以在亚波长尺度增强声波与物质的相互作用，仅需在狭缝中注入微量的流体，即可获得较高品质因子的共振透射增强峰，且随着流体的密度和声速度的变化(尤其是密度)，该共振透射增强峰会出现明显偏移，因此，这种声人工结构可用于制作高品质因子和高灵敏度的声学流体传感器。

[0030] 示例性设备

[0031] 本发明提供一种声学流体传感器，如图1所示，包括：狭缝双板声学装置1(俯视图)、超声波发射装置2、超声波接收装置3、计算处理装置4和实验容器6。

[0032] 狭缝双板声学装置1包括两个基板以及设置于所述两个基板的正面的平行且间隔相等距离的若干凸条，这两个基板的背面平行且间隔一狭缝空间。

[0033] 狭缝空间用于装盛待测流体或标准流体。其中，待测流体的参数为未知，标准流体的参数为已知。

[0034] 实验容器6中装盛有环境流体5(例如水)。

[0035] 整个狭缝双板声学装置1浸没于环境流体5中，且设置于超声波发射装置2和超声波接收装置3之间。

[0036] 超声波发射装置2用于向环境流体5中发射超声波，激励狭缝双板声学装置1的两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在所述狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式。

[0037] 超声波接收装置3接收经过狭缝双板声学装置1后的超声波。

[0038] 计算处理装置4连接超声波发射装置2和超声波接收装置3，通过计算经过狭缝双板声学装置1之后的超声波的频谱，确定该频谱中共振透射增强峰的频点和幅度，并通过将狭缝双板声学装置1中装盛待测流体时所确定的共振透射增强峰的频点和幅度与狭缝双板声学装置1中装盛标准流体时所确定的共振透射增强峰的频点和幅度进行比对，若比对结果相一致，则确定该待测流体的参数与该标准流体的参数相一致。

[0039] 该声学流体传感器的工作原理是：在超声波的激发下，狭缝双板声学装置1的每个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场，经过该狭缝双板声学装置1后的超声波的频谱中具有共振透射增强峰；将若干标准流体注入该狭缝空间中，可获得每种标准流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度，再将待测流体注入该狭缝空间中，获得待测流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度，最后，将待测流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度与每种标准流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度进行比对，当比对结果为一致时，依据该种标准流体的成分、密度、粘度、摩尔浓度等参数确定待测流体的相应参数。

[0040] 基于该声学流体传感器的工作原理可知，只有当超声波经过狭缝双板声学装置1的狭缝空间时，两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在所述狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式，超声波的频谱中出现共振透射增强峰，该声学流体传感器才能实现检测目的。

[0041] 在研究本发明的过程中，发明人发现，超声波的频率、狭缝双板声学装置1的材质和结构尺寸、以及狭缝空间中所装盛的流体的参数，是影响两个基板能否形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场的关键因素，也是影响超声波经过狭缝双板声学装置1的狭缝空间后，其频谱中能否出现共振透射增强峰的关键因素。

[0042] 本发明将可使得狭缝双板声学装置1的两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场，进而使得该声学流体传感器实现检测未知流体的成分和/或参数这一目的的超声波的频率，称为该声学流体传感器的工作频率。也就是说，当超声波的频率是声学流体传感器的工作频率时，狭缝双板声学装置1的两个基板的非泄露A0模式Lamb波能够在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场，该超声波经过狭缝双板声学装置1的狭缝空间之后其频谱中就会出现共振透射增强峰。

[0043] 本发明提供的声学流体传感器具有由间隔狭缝的两个基板形成的声人工结构，即狭缝双板声学装置，该声学流体传感器通过发射超声波激励狭缝双板声学装置中的两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式，超声波在经过狭缝双板声学装置之后其频谱中存在共振透射增强峰，由于该共振透射增强峰的频点和幅度会随着狭缝双板声学装置中装盛的待测流体的密度和声速度的变化发生明显偏移，因此通过计算该共振透射增强峰的频点和幅度，即可得出待测流体的相应参数。试验表明，相比于现有的声学流体传感器，本发明提供的声学流体传感器具有更高的灵敏度和品质因子，尤其对于密度与声速度变化相反的流体，该声学流体传感器具有较高的灵敏度。

[0044] 具体实施时，狭缝双板声学装置1可以有如下实施方式：

[0045] (1)基板的正面和背面可以是矩形、圆形、椭圆形或其他任意形状。

[0046] (2)基板和凸条可以采用铜、铝、钢、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或玻璃等材料制作。

[0047] (3)若基板的端面抵接实验容器6的内壁，这样会将实验容器6的内部空间隔断成两部分，以保证超声波发射装置发射的所有超声波都是经过狭缝双板声学装置1之后才被超声波接收装置接收到的。

[0048] 若基板的端面没有抵接实验容器6的内壁，则超声波发射装置发射的一部分超声波就可能直接到达超声波接收装置，而没有经过狭缝双板声学装置1，这种情况下，可以通过设置超声波接收装置的接收频率来屏蔽掉这部分超声波。

[0049] (4)凸条的截面可以是三角形、矩形、菱形、半圆形或其他多边形。

[0050] (5)凸条可以是直线形，也可以是曲线形，只需确保凸条的间距相等。

[0051] (6)凸条可以是以水平、竖直或倾斜的方向设置于基板上，只需确保凸条的间距相等。

[0052] (7)两个基板之间的狭缝空间可以是封闭的，也可以是不封闭的。

[0053] 当狭缝空间封闭时(例如两个基板的周缘连接)，待测流体/标准流体与环境流体之间是隔离的，选用环境流体时，无需考虑待测流体/标准流体与环境流体之间因接触而产生的化学反应。

[0054] 当狭缝空间不封闭时，待测流体/标准流体与环境流体之间虽然不是隔离的，但由于狭缝双板声学装置1的尺寸较小，存在毛细现象，所选用的环境流体只需保证不会与待测流体/标准流体因接触而产生化学反应即可。

[0055] 示例性方法

[0056] 图1所示的声学流体传感器中，超声波的频率、狭缝双板声学装置1的材质和结构尺寸、以及狭缝空间中所装盛的流体的参数，是影响两个基板能否形成非泄露A0模式Lamb波并在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场的关键因素，为了使得声学流体传感器实现检测目的，需要综合考虑所使用的超声波的频率、狭缝空间中所装盛的流体的参数，来设计狭缝双板声学装置1的材质和结构尺寸。

[0057] 其中，如图2所示为狭缝双板声学装置1的一些参数：基板的厚度h，狭缝的间距w，以及凸条的间距p、高度Sh和宽度Sw。此外，狭缝双板声学装置1还具有如下参数：基板的密度ρ2、纵波声速cL2和横波声速cT2。

[0058] 本发明提供图1所示的声学流体传感器的制作方法，该方法至少包括如下制作狭缝双板声学装置1的步骤：

[0059] 步骤S1，设定声学流体传感器的工作频率。

[0060] 该步骤的目的是预先拟定声学流体传感器的工作频率，根据前述介绍，当超声波的频率是声学流体传感器的工作频率时，狭缝双板声学装置1的两个基板的非泄露A0模式Lamb波能够在狭缝空间中共振耦合形成对称强局域声场，该超声波经过狭缝双板声学装置1的狭缝空间之后其频谱中就会出现共振透射增强峰。

[0061] 具体实施时，该步骤可以设定一个频率范围，凡是在该频率范围中的频率均属于声学流体传感器的工作频率。

[0062] 步骤S2，设定若干标准流体，并确定每种标准流体的其密度和声速。

[0063] 该步骤的目的是预先拟定声学流体传感器的适用对象，根据前述介绍，待测流体的参数是通过将狭缝双板声学装置1中装盛待测流体时所确定的共振透射增强峰的频点和幅度与装盛各种标准流体时所确定的共振透射增强峰的频点和幅度进行比对来确定的，因此，该声学流体传感器的适用对象即为所有标准流体。

[0064] 步骤S3，根据所述声学流体传感器的工作频率，以及每种标准流体的密度和声速，确定所述声学流体传感器的狭缝双板声学装置1的如下各项参数：基板的密度ρ2、纵波声速cL2、横波声速cT2和厚度h，狭缝的间距w，以及凸条的间距p、高度Sh和宽度Sw。

[0065] 步骤S4，根据上述各项参数制作狭缝双板声学装置1。

[0066] 其中，步骤S3进一步可以包括如下步骤：

[0067] 步骤S31，提供若干基板型号，每个基板型号包括一密度数据、一纵波声速数据、一横波声速数据和一厚度数据，计算按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中的A0模式色散曲线，并根据计算出的A0模式色散曲线，确定按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率。

[0068] 具体实施时，该步骤可以采用如下公式计算按照密度数据为ρ2、纵波声速数据为cL2、横波声速数据为cT2、厚度数据为h的基板型号制作的基板在标准流体中的A0模式色散曲线：

[0069] Ψt-Ψ0＝0

[0070]

[0071]

[0072] k＝ω/c

[0073]

[0074]

[0075]

[0076] kL2＝ω/cL2

[0077] kT2＝ω/cT2

[0078] kL1＝ω/cL1

[0079] 其中，ω是声学传感器的工作频率，c是A0模式的声速，k为A0模式的波矢，cL1为标准流体的声速，cL2和cT2分别为基板的纵波声速和横波声速，ρ1为标准流体的密度，ρ2为基板的密度，h为基板的厚度。

[0080] 步骤S32，将按照每个基板型号制作的基板在每种标准流体中产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率，与所述声学流体传感器的工作频率的最大值进行比较，并根据比较结果确定符合标准的基板型号，其中，按照符合标准的基板型号制作的基板在所有标准流体中产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率均大于或等于所述声学流体传感器的工作频率的最大值。

[0081] 如图3所示，(a)为厚度h＝0.17p的玻璃基板在水中的色散曲线，横坐标波矢k为凸条间距周期p的倒数的2π倍，纵坐标ω表示声学流体传感器的工作频率，cL1表示水的声速。在该色散曲线中，玻璃板的A0模式与水线的交点处的截止频率即为产生非泄露A0模式Lamb波的最大频率，超声波的频率只有在小于或等于该截止频率时，狭缝双板声学装置1的每个基板才能够产生非泄露A0模式Lamb波，因此，如果该截止频率大于或等于该声学流体传感器的工作频率的最大值(即步骤S21所设定的频率范围的较大的边界值)，则该基板的密度、纵波声速、横波声速和厚度符合要求。

[0082] 步骤S33，分别将符合标准的基板型号所包括的密度数据、纵波声速数据、横波声速数据和厚度数据，确定为所述基板的密度ρ2、纵波声速cL2、横波声速cT2和厚度h。

[0083] 步骤S34，根据基板的密度ρ2、纵波声速cL2、横波声速cT2和厚度h，以及该声学流体传感器的工作频率，确定狭缝双板声学装置1中两个基板的背面之间的狭缝的间距w。

[0084] 具体的，该步骤是计算当狭缝双板声学装置1的两个基板在每种标准流体中产生的非泄露A0模式Lamb波在所述狭缝空间中共振耦合形成对称模式的色散曲线时，所需的狭缝的间距w。

[0085] 具体实施时，该步骤可以采用如下方程计算狭缝的间距w：

[0086] (Ψt-Ψ0)[Ψctanh(σL1w/2)-Ψ0]-(Ψc-Ψ0)[-Ψttanh(σL1w/2)+Ψ0]＝0[0087]

[0088] 如图3中，(b)、(c)、(d)分别表示厚度h＝0.17p的两个玻璃板间隔不同的狭缝间距w时在水中的色散曲线，其中，(b)为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝0.05p时的色散曲线，(c)为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝0.1p时的色散曲线，(d)为狭缝间距w和凸条间距p之间为w＝10p时的色散曲线，其中，曲线S表示狭缝双板声学装置1的两个基板产生的非泄露A0模式Lamb波在狭缝中共振耦合形成的对称模式。通过对比图3的(b)、(c)、(d)可知，声学流体传感器的灵敏度越高，工作频率越低，所需的狭缝间距w越小。

[0089] 另外，狭缝间距w越小，狭缝空间的体积也越小，可检测的待测流体的体积也越小，加工难度也会越大。

[0090] 步骤S35，根据狭缝间距w，以及该声学流体传感器的工作频率，确定凸条的间距p。

[0091] 通过对比图3的(b)、(c)、(d)可知，声学流体传感器的工作频率越低，所需的凸条间距p越大。

[0092] 步骤S36，根据该声学流体传感器的工作频率，确定凸条的高度Sh和宽度Sw。

[0093] 凸条作为微扰结构，凸条的高度Sh和宽度Sw会影响穿过狭缝双板声学装置1的超声波频谱中共振透射增强峰的频点。具体的，凸条的高度Sh和宽度Sw越大，对该声学流体传感器的工作频率的扰动越大。具体实施时，可以通过精细调整获得理想的凸条尺寸。

[0094] 除了以上制作狭缝双板声学装置1的步骤以外，声学流体传感器的制作方法还包括如下步骤：

[0095] 步骤S5，提供超声波发射装置2、超声波接收装置3和计算处理装置4。

[0096] 其中，该步骤需要根据已经设定的声学流体传感器的工作频率，选择超声波发射装置2和超声波接收装置3。

[0097] 具体实施时，可根据步骤S1设定的频率范围，选择能够发射和接收该频率范围的超声波的超声波发射装置2和超声波接收装置3。这样，超声波发射装置2所发射的超声波可激励狭缝双板声学装置1中的两个基板形成非泄露A0模式Lamb波并在所述狭缝空间中共振耦合形成对称强局域模式。

[0098] 该步骤所提供的计算处理装置4应具备如下功能：通过计算经过所述狭缝双板声学装置1之后的超声波的频谱，确定该频谱中共振透射增强峰的频点和幅度，并通过将所述狭缝双板声学装置1中装盛待测流体时所确定的共振透射增强峰的频点和幅度与所述狭缝双板声学装置1中装盛标准流体时所确定的共振透射增强峰的频点和幅度进行比对，确定待测流体的参数。

[0099] 步骤S6，将狭缝双板声学装置1浸没于环境流体5中，并将所述狭缝双板声学装置1设置于超声波发射装置2和超声波接收装置3之间。

[0100] 步骤S7，令计算处理装置4分别连接超声波发射装置2和超声波接收装置3。

[0101] 实施例一

[0102] 本实施例提供声学流体传感器的一种具体实施例。

[0103] 图4为该声学流体传感器的三维立体示意图，图5为该声学流体传感器的俯视图。

[0104] 如图4、图5所示，该声学流体传感器包括：实验容器100、超声波发射装置、狭缝双板声学装置300、超声波接收装置、计算处理装置500。

[0105] 超声波发射装置包括信号发生器201、功率放大器202和超声波发射探头203。

[0106] 超声波接收装置包括超声波接收探头401和模数转换电路402。

[0107] 狭缝双板声学装置300包括两个具有相同结构的基板301。基板301的形状为长方形，正面设置有平行且间隔相等距离的若干凸条302。两个基板301的背面平行且间隔一狭缝，周缘通过密封条相连接，密封条上开设有用于注入待测流体/标准流体的入口303和用于排出待测流体/标准流体的出口304。

[0108] 实验容器100为长方体型，超声波发射探头203和超声波接收探头401分别装设于实验容器100相对的两个侧壁上。

[0109] 狭缝双板声学装置300设置于超声波发射探头203和超声波接收探头401之间。

[0110] 实验容器100的另外两个相对的侧壁上设置有用于固定狭缝双板声学装置300的卡槽。

[0111] 实验容器100装盛用于浸没狭缝双板声学装置300的环境流体，例如水。

[0112] 利用本实施例提供的声学流体传感器对流体进行检测的工作过程及原理如下：

[0113] 步骤1，准备若干已知成分、密度、粘度、摩尔浓度等参数的标准流体。

[0114] 步骤2，将标准流体注入狭缝双板声学装置300中，开启超声波发射装置、超声波接收装置和计算处理装置500。

[0115] 步骤3，超声波发射装置中的信号发生器201生成脉冲信号，功率放大器202对脉冲信号放大后激励超声波发射探头203产生超声波。

[0116] 步骤4，超声波通过实验容器100中的流体传输至狭缝双板声学装置300，狭缝双板声学装置300的两个基板301产生非泄露A0模式Lamb波，并在狭缝空间中共振耦合形成对称模式S，超声波经过狭缝双板声学装置300之后，被超声波接收装置的超声波接收探头401所接收，并由模数转换电路402将超声波模拟量转换为电信号。

[0117] 步骤5，计算处理装置500将电信号从时域转换至频域，计算出经过狭缝双板声学装置300之后的超声波的频谱，并确定该频谱中共振透射增强峰的频点和幅度。

[0118] 步骤6，计算处理装置500存储每种标准流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度。

[0119] 步骤7，关闭超声波发射装置、超声波接收装置和计算处理装置500。

[0120] 步骤8，将待测流体注入狭缝双板声学装置300中，开启超声波发射装置、超声波接收装置和计算处理装置500。

[0121] 步骤9，超声波发射装置中的信号发生器201生成脉冲信号，功率放大器202对脉冲信号放大后激励超声波发射探头203产生超声波。

[0122] 步骤10，超声波通过实验容器100中的流体传输至狭缝双板声学装置300，狭缝双板声学装置300的两个基板301产生非泄露A0模式Lamb波，并在狭缝空间中共振耦合形成对称模式S，超声波经过狭缝双板声学装置300之后，被超声波接收装置的超声波接收探头401所接收，并由模数转换电路402将超声波模拟量转换为电信号。

[0123] 步骤11，计算处理装置500将电信号从时域转换至频域，计算出经过狭缝双板声学装置300之后的超声波的频谱，并确定该频谱中共振透射增强峰的频点和幅度。

[0124] 步骤12，计算处理装置500将待测流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度，与已经存储的各种标准流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度进行对比，将对比结果一致的标准流体的成分和参数确定为该待测流体的成分和参数。

[0125] 由于步骤1-步骤7是用于获取各种标准流体对应的共振透射增强峰的频点和幅度，并将这些数据作为判断标准，具体应用时，当获得判断标准后，就无需在每次对待测流体检测之前都执行步骤1-步骤7了，随着该声学传感器的使用，原来的判断标准可能会出现判断误差，需要对其重新标定，此时可再次执行步骤1-步骤7获得标定后的判断标准。

[0126] 下面具体举例不同摩尔浓度的1-辛醇和三氯甲烷混合物在该声学传感器中的声学特征。其中狭缝双板声学装置几何参量如下：p＝1mm,h＝0.17mm,sh＝sw＝0.13mm,w＝0.1mm。双板材料为玻璃，双板外侧环境流体为水，双板之间狭缝中为待测流体1-辛醇和三氯甲烷混合物。图6为待测流体是摩尔浓度为0.17三氯甲烷和1-辛醇混合物的透射谱，从图
6中可以看出在频率为0.80295MHz处有一个共振透射峰，其品质因子Q＝f/Δf高达4091。图
7五角星为待测流体为不同摩尔浓度三氯甲烷与相应透射峰的共振频率变化关系，从图7中可以看出当摩尔浓度从0变化至1，其共振频率从0.8226MHz变化至0.6629MHz，图7内小图表示不同摩尔浓度三氯甲烷密度和声速，可以看出随着三氯甲烷摩尔浓度增大，其密度和声速变化方向相反。为了进一步探究该声学传感器的性能，我们研究了三种假想流体的共振频率随摩尔浓度的变化。这三种流体分别为：流体1：密度为保持为0.822g/cm3，声速随摩尔浓度变化与三氯甲烷随摩尔浓度变化一致；流体2：声速保持为1.348km/s，密度随摩尔浓度变化与三氯甲烷随摩尔浓度变化一致；流体3：密度随摩尔浓度变化与三氯甲烷随摩尔浓度变化一致，声速随摩尔浓度变化与三氯甲烷随摩尔浓度变化相反。图7分别展示了不同摩尔浓度的流体1，流体2，流体3与相应透射峰的共振频率变化关系，从图7中可以看出不同摩尔浓度三氯甲烷的共振频率偏移最大。因此该系统具有较高的灵敏度和品质因子，且对密度与声速度变化趋势相反的流体比较敏感。

[0127] 应当注意，尽管在上文详细描述中提及了超声波发射装置、超声波接收装置、计算处理装置的若干子装置，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多子装置的特征和功能可以在一个子装置中具体化。反之，上文描述的一个子装置的特征和功能可以进一步划分为由多个子装置来具体化。

[0128] 此外，尽管在说明书中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

[0129] 虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。