用于对各种参数进行高灵敏度测量的设备及在这种设备中特别有用的传感器

摘要

一种传感器，用于感测相对于能波通过介质的传播时间具有已知关系的预定参数，传感器包括软弹性材料体，相对于能波具有高透射率和低衰减特性；以及由弹性体承载的发射机和接收机，该发射机和接收机彼此间隔，使得接收机接收的能波是发射机发送的并且行进了至少一部分软弹性材料体之后接收的能波。测量能波通过弹性体的传播时间，以进行对预定参数的测量。在描述的优选实施例中，能波是声波，使得软弹性材料体作为发射机和接收机之间的声信号通道。

说明书

发明领域和背景

本申请涉及：2000年11月9日公布的国际申请PCT/IL00/00241，作为国际公开号WO00/67013；2002年10月24日提交的国际申请PCT/IL02/00854，在2003年5月1日公布，作为国际公开号WO03/036321；2002年12月5日提交的国际申请PCT/IL02/00983，在2003年6月12日公布，作为国际公开号WO03/048668；以及2003年9月16日发布的美国专利6,621,278，这些申请以及专利的内容通过引用将其全部内容结合到本文中。

以上引用的申请和专利涉及以极高的灵敏度测量具有相对于能波(电磁波或声波)通过介质(固体、液体或气体)的传播时间已知的或可确定的关系的各种参数的方法和设备。概括地说，这是通过以下步骤进行的：通过介质传送循环重复的能波；接收通过介质传送的能波；检测收到的能波中预定的基准点；连续地根据检测的各个收到的能波的基准点改变能波传输的频率，使得收到的波的数量是一个完整的整数；以及测量频率变化，以产生能波从发射机到接收机的传播时间的变化的量度，并从而得到预定参数的量度。

以上引用的申请和专利描述了这种方法和设备在许多领域的许多实现，医学和非医学的，用于提供具有极高程度的灵敏度的测量。描述的实现包括根据测量的预定参数的变化得出传播距离变化和/或能量速度变化的那些情况。还描述了各种类型的传感器，用于测量传播距离的变化，包括可变形薄膜、膜盒、安装了弹簧的部件和可位移的活塞。

本发明的目的和概要

本发明的一个目的是提供这种设备，它具有一个新型传感器，使设备对测量位移特别敏感，具有极高的灵敏度，从而使设备能够十分精确地检测任何状况，或者在实质上测量任何参数、感应、被感应、或者伴随一个位移。所检测的状况的实例是伴随呼吸和心脏活动非常快或者小的动作；并且所测量的参数的实例，如下所述，包括压力、扭曲线性加速度、重量、温度、角速度、线速度、液体密度、一团液体的深度、磁场强度、呼吸率、血脉搏率和血压。

本发明的另一个目的是提供在这种设备中特别有用的新颖传感器。

根据本发明的一个方面，提供用于测量预定参数的设备，预定参数具有相对于能波通过介质的传播时间已知的或可确定的关系，包括：用于感测预定参数的传感器、所述传感器包括发射机，用于传送能波通过介质，以及一个接收机，用于接收发射机传送的能波；以及数据处理器，用于测量能波从发射机到接收机的传播时间、或传播时间的变化，从而得出预定参数的量度；其特征在于，传感器包括软弹性材料体，该材料相对于能波具有高透射率和低衰减特性，发射机和接收机彼此由所述软弹性材料体隔开，使得在传感器感测时，参数产生发射机相对于接收机的一个位移，由此测量传播时间，或者能波从发射机到接收机的传播时间变化提供发射机相对于接收机的位移的量度，从而得到预定参数。

如下所述，本发明相对于能波是声波，因此发射机和接收机之间的传输通道是声通道的应用特别有用。但是，应该理解，本发明还可以在能波是电磁波的应用中实现，比如光、红外线或者RF，特别是在例如美国申请6,621,278中所述的调制技术被使用的情况下实现。

根据本发明的另一个方面，提供一种传感器，用于感测相对于能波通过介质的传播时间具有已知的或可确定的关系的预定参数，包括：相对于能波具有高透射率和低衰减特性的软弹性材料体；以及由外壳装入的发射机和接收机，该发射机和接收机彼此间隔，使得接收机接收的能波是发射机发送的并且在横穿至少一部分软弹体材料的外壳之后接收的。

正如将在下面更详细描述的，在使用声波并且弹体材料是绍式(Shore)A硬度为5-40、最好为7-20的硅橡胶弹性体时可获得特别好的结果。在下述应用中，大约10的绍式A硬度发现是最优选的。

本发明的其它方面、优点和应用描述如下。

附图的简要说明

本发明仅仅通过例示参考附图进行描述，其中：

图1是概述根据本发明的包括一种形式的传感器的测量设备的方框图；

图2是更具体说明图1的设备中的控制和处理电路(CPC)的方框图；

图3说明根据本发明的另一传感器构成；

图4说明根据本发明的一种加速度类型的传感器构成；

图5-8说明根据本发明的传感器的其它构造以及这种传感器的几个应用；

图9a-9c说明本发明用于检测呼吸停止(呼吸暂停检测器)、或用于检测个体移动、呼吸、脉搏率、或其它状况的更多应用；

图10说明本发明用于防止褥疮的应用；

图11说明本发明的防打鼾应用；

图12-14根据本发明用于监控脉搏率的传感器的各种构成；

图15说明本发明用于根据示波方法非介入测量血压的应用；

图16说明本发明用于测量传动系统、例如汽车中的扭矩的应用；

图17说明本发明用于监控车椅的应用，以便检测车里面的人的存在、重量、呼吸活动、心搏动等等以控制气囊；

图18a-18c说明实施在一个传感器矩阵中的本发明用作键盘或作为压力分布传感器；

图19和20说明本发明实施在一个压力计中，用于分别表示增压容器和管路的压力；

图21说明本发明实施在秤中用于称重目的；

图22说明本发明实施在一种可浸入的传感器中，用于测量它所浸入的液体的密度、或者传感器浸入的深度；

图23说明本发明实施在一个磁场传感器中用于测量磁场强度；

图24说明本发明实施在一个器械中用于测量旋转体的角速度和/或切向加速度；

图25说明本发明实施在一个皮托管中，用于测量对象通过流体介质的速度；

图26说明本发明实施在一个加速度类型的传感器中；

图27说明根据本发明的传感器的另一种构成；

图28说明图27的传感器实施为一种加速度类型的传感器；

图29是三维视图；以及图30是说明图27的实施为压力传感器的传感器的分解图；

图31说明图27的传感器实施在弹性带或者极高灵敏度的带传感器中，以应用在人身上检测呼吸或者心搏动；

图32说明本发明实施在施加到大表面、比如机翼上的传感器中，用于检测它的压力分布和/或变形；

图33说明发明实施在蜂窝式电话手机或者其它手提式的便携式电气装置中；

图34是说明图33的传感器的一部分的不完全剖视图；

图35是图34的传感器的顶视图；

图36是对应于图34的视图，但说明作为加速度类型的传感器检测各种类型的动作、比如走或者跑，以及呼吸和心搏动动作；

图37说明图33的手提式的便携式电气装置用作里程计；

图38是说明根据本发明构造的差分类型压力传感器的剖面图；

图39是说明根据本发明构造的温度补偿力传感器的平面图；

图40a说明根据本发明构造的另一个传感器，在测量重量或者某些其它力时特别有用；

图40b是说明图40a的传感器中的固定装置的三维视图；

图41是说明根据本发明构造的另一个传感器的视图，它在测量或者检测极小的力、比如呼吸活动或者心搏动引起的力时特别有用；

图42是说明根据本发明构造的另一传感器的剖面图；

图43说明包括图42的传感器的呼吸暂停监控设备，用于感测呼吸和心搏动并且响应于此控制振动器和/或警报器；

图44是说明改进的频率测量系统的方框图，它在根据本发明构造的设备中特别有用；

图45是更具体说明图44的频率测量系统的方框图；

图46是说明实现本发明用于温度补偿的图解；

图47是说明根据图46构造的系统的方框图，用于提供温度补偿；

图48说明根据图46构造的一个改进系统，用于提供温度补偿；

图49是帮助解释将本发明实现为高稳定频率发生器的一种方式的图解；以及

图50是说明根据图49的图解构造的频率发生器电路的方框图。

应该理解，以上附图以及以下描述都主要出于便于理解本发明的概念方面及其各种可能实施例而提供的，包括当前考虑作为优选实施例的是什么。为简单明了，没有尝试提供比使本领域技术人员利用常规技能和设计领会并实践所述发明所需更多的细节。还应该理解，所述实施例仅仅出于例示目的，并且本发明能够实施为与本文所述不同的其它形式和应用。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及用于测量一个直接与一个部件相对于另一个部件的位移有关的参数，并且更具体地说，涉及在这种设备中使用的新颖传感器。所测量的参数可以是压力、扭矩、张力、直线加速度、角速度、温度、重量、液体密度、液体深度、磁场强度、呼吸、血脉搏、或者实质上任何其它感应的、被感应的参数，或者伴随能波通过一个固体、液体或者气体介质的传播时间的变化的参数。

本发明特别提供一个新颖的传感器，它能够通过检测一个极高灵敏度的位移来测量各个参数。新颖的传感器提供一个能量传输通道，它包括软弹性材料体、最好是硅橡胶，具有高的能量透射率和低的能量衰减特性；发射机；以及接收机，发射机和接收机彼此隔开，以便精确测量能波通过传输通道从发射机到接收机的传播时间的变化，进行各个参数的精密测量。

在如下所述本发明的优选实施例中，能波是声波，使得传输通道是声通道。然而应该理解，能波还可以是电磁波，比如光、红外线、RF等等，特别是使用以上引用的美国专利6,621,278中描述的调制技术的情况。

如下所述的一些实施例是位移类型的传感器，其中检测并测量一个位移；而描述的其它实施例是加速度类型的传感器，其中检测和测量位移的变化率。

图1是概述根据本发明构造的一种形式的设备的方框图。所示设备包括传感器10，它的一个面暴露于参数，在此情况下是要测量的压力，如箭头P所示。传感器10包括声波发射机11和声波接收机12，它们相间隔地嵌入在压力可压缩的软弹性材料体中，总的标示为13。传感器10的反面，也就是与接收压力P相反的面啮合或者安装在相当刚性的支承组件或者基础14上，使得压力P的施加将使发射机11根据施加压力的大小向接收机12移动。因此，传感器10是一个位移类型的传感器，它测量发射机11相对于接收机12的位移或者相对位置，将进行压力P的精密测量。

发射机11相对于接收机12的位置根据在以上引用的国际申请和美国专利中所述的方法和设备精确地测量。因此，设备包括控制和处理器电路、总的称为CPC，用于控制发射机11和接收机12，以便进行两者相对位置的变化的精密测量。图1所示的并且在下文中将参考图2更详细描述的控制和处理器电路CPC包括发射机电路15、接收机电路16、和位移测量电路17，它测量发射机11和接收机12之间间距变化并产生一个输出给例如显示器17a、警报器17b、和/或一个控制部件17c。

图2更详细说明图1的控制和处理器电路CPC。如在以上引用的国际专利申请和美国专利中更详细描述的，这种电路的构造和操作如下：

首先，振荡器21被激励，同时开关22闭合，使得发射机11发射连续的声音脉冲直到这种脉冲由接收机12收到。一旦接收机12收到脉冲，开关22断开，以便接收机12收到的脉冲在之后被用来控制发射机11。

如图2所示，接收机12收到的声音信号经输入端23a送到比较器23。比较器23包括连接到预定偏压的第二输入端23b，以便检测接收信号中的一个预定基准点或者参考点。在图2所示的实例中，这个预定基准点是接收信号的″零″交点；所以，比较器23的输入端23b处于零偏压。

比较器23的输出送到放大器24，例如单稳态振荡器，它被触发以在接收机12收到的信号中的各个基准点(过零点)产生输出信号。放大器24的输出经″或″门25提供，以便触发发射机11发出下次声脉冲。由于开关22断开，发射机11因此将由接收机12收到的各个信号触发，从而发射连续脉冲中的下一声脉冲。

因此将看到，发射机12的输出脉冲或者信号的频率随着发射机11和接收机12之间间距的变化而变化。还将看到，发射机11发射的以及接收机12收到的信号中波长或者脉冲的数量将是一个完整的整数。通过发射机11的频率改变，在维持发射机和接收机12之间波的数量为整数的同时，能够进行发射机和接收机之间距离的精确判断。包括计数器26、计数器27、时钟28以及微处理器29的和电路能够使检测的频差以及测量精度增加一个因子″N″，使得能够通过选择适当的频率、时钟28的时钟速率、以及计数器27的求和因子″N″，从而几乎没有任何限制地预设测量的精度。

如图2进一步所示，控制和处理器电路CPC的微处理器29的输出可用来显示、报警和/或控制，如图中17a、17b和17c示意性地显示。

这样一个设备的构成与操作的更多细节可从以上引用的国际申请和美国专利6,621,278得到，该专利通过引用结合于本文中。例如，美国专利6,621,278包括一个调制器件，以及一个延迟线器件，它们显著地扩展了这种设备测量各种类型参数的可能应用。

以上引用的国际申请和美国专利描述的方法和设备的特定实现，利用了传感器的可变形薄膜、膜盒、安装了弹簧的部件或可位移的活塞的形式。然而，现在发现，利用以上所述在图1和2中标记10图示的构成的传感器，即传感器包括软弹性材料体13、最好嵌入了彼此隔开的发射机11和接收机12，能够非常高灵敏度地实现位移的检测和测量。

因此将看到，发射机11和接收机12之间的软弹体材料13的外壳限定了发射机和接收机之间的声信号通道。还将看到，施加到传感器上的压力P改变了这个声信号通道的有效长度，使得通过测量声脉冲从发射机到接收机的传播时间来测量通道的瞬时长度，以得到施加到传感器上的压力的测量。因此，图1和2的传感器是一个可测位移类型的压力传感器，其中声信号通道的位移、或者有效长度的变化的测量得出施加到传感器的压力的测量。图2所示的电路特别高灵敏度地检测位移，能够特别高精度地进行施加到传感器的力P的测量。

应该理解，图1和2所示的位移类型传感器还可以用于高精密测量改变发射机11和接收机12之间的软弹体材料13限定的声信号通道的有效长度的其它参数。其它参数的实例包括扭矩、离心力、呼吸脉动、血压脉动、重量等等。在下文中进行更详细地说明。

如在下文中更详细描述的，传感器可包括一个充当惯性部件的重锤，以得到加速度类型传感器，其中检测位移的变化，该变化用来得到各个参数的测量。这种加速度类型传感器的传感器在位移常常发生或者快速发生的情况下特别有用。

图1和2中弹性体外壳13的优选材料是硅树脂橡胶化合物，例如，Smooth-on有限公司提供的商标为“Dragon skin”和“Dragon skinQ”的那些产品；位于新泽西州的Cranbury的Rhodia公司提供的商标为“Rhodorsil”RTV-585的那些产品；以及美国通用电器公司提供的RTV硅橡胶化合物。最好，弹体材料应该具有5-60的绍式A硬度，并且更优选的是7-20。对于下面描述的许多应用，发现绍式A硬度为10得到最好的结果。

这种材料具有高的声波透射特性以及低的声波衰减特性。它们的特征还在于弹性的杨氏模量比铁低10⁵，并且泊松(Poisson)比率大约为0.5。发现这些特性在检测根据本发明构造的传感器可获得的位移时产生意想不到的灵敏度。

振荡器21的频率将在很大程度上依赖于传感器的特定应用。在如下所述的大部分应用中，振荡器21的频率最好在500-2000kHz的范围内，最好大约700kHz。

图3-39说明在图1和2的设备中使用的位移类型以及加速度类型的传感器的多种构成以及应用的实例。

因此，图3说明位移类型传感器，在图中总的标示为30，它还包括嵌入在弹性体外壳33中的声波发射机31以及声波接收机32，该弹性体外壳33在外壳33的反面安装在安装组件34上，用于接收测量的压力P。在这种情况下，弹性体33配置了其中嵌入了发射机31的第一支架33a，以及其中嵌入了接收机的第二支架33b，使得接收机经连接两个支架的桥33c从发射机31接收声音脉冲。因此，这种配置提供了小型结构中的一个声信号通道，该结构在发射机和接收机之间具有相对长的声波传输路径。

图4说明一个加速度类型的传感器，图中总的标示为40，它具有与图3类似的结构。包括嵌入在弹性体43的一个支架中的发射机41、嵌入在另一个支架中经桥与发射机通信的接收机42、以及用于安装弹性体43的安装组件44。但是在这种情况下，弹性体43的桥末端装了重锤45，作为惯性组件，用于在弹性体位移时产生施加在弹性体上的力。由此，传感器40可用作测量物体直线加速度的加速度计。如下所述，这种传感器还可用来通过感测物体旋转期间重锤生成的离心力的变化，以测量一个物体角度或者旋转速度的变化。

图5说明传感器的应用实例，在图中传感器总的标示为50，用于应用到一个人的胸部来测量或检测人的呼吸或者心速。对于这种应用，图中标示为53的弹性体包含以间隔的位置嵌入在其中的发射机51和接收机52，弹性体要被固定，例如用松紧带55，固定到患者的胸部，同时向其施加预定压力，从而通过胸部脉动的移动产生发射机和接收机之间位置的变化，位置变化将提供对个体的呼吸率和/或心率的测量。

图5所示的传感器50可以是图4所示的加速度计类型，或者图3所示的位移类型，以及如下所述的其它结构。

图6说明一个传感器，图中总的标示为60，它可以为与图5相同的结构。除了它将被用于个体的手腕，因此包括腕带65，用于检测和测量个体的脉搏。图6所示的传感器60也可以是加速度计类型或者位移类型，如以上相对于图5所述。

图7说明具有图1和2所述类似结构的传感器70，包括以相间隔的关系嵌入在弹性体73中的发射机71和接收机72。在这种情况下，弹性体73的一侧安装了印刷电路板74，它包括至少部分图1和2所示的控制和处理器电路CPC。弹性体73的另一侧可以安装另一个印刷电路板75，包括其余电路和/或使传感器能够作为如图4所示的加速度计的重锤4。

图8说明根据本发明构造的传感器，作为感测人手指中的脉动血流和手指温度的手指探针。为此，传感器80包括弹性体83，它具有如上所述以相间隔的关系嵌入在其中的发射机81和接收机82，以产生用于测量位移的输出，图中标示为84。

然而在这种情况下，弹性体83包括彼此相隔但通过温度灵敏材料构成的路径87桥接的第二声波发射机85和第二声波接收机86(如金属)，暴露于手指的温度。由于发射机85和接收机86之间声波的速度随着金属路径87的温度的变化而改变，因此控制和处理器电路CPC(图1、2)将产生测量温度的一个输出，在图中标示为88，这一点在以上引用的国际申请中给出了更详细的描述。这种温度测量能输出到显示器，用于察看、和/或能被用于提供位移测量84的温度补偿，如图8中的框89示意性地表示。

因此将看到，图8所示的装置实际上包括两个传感器，每个传感器具有它自己的感测预定参数的声信号通道。因此，发射机81和接收机82之间的软弹体材料83限定了一个感测位移的声信号通道；而发射机85和接收机86之间的温度灵敏路径87限定了感测温度的第二声信号通道。两个通道根据检测的参数产生声波从各个通道的发射机到接收机的传播时间的变化。因此，发射机81和接收机82之间的弹体材料83限定的其间的声信号通道响应于要测量的参数(压力)改变它的有效长度，而发射机85和接收机86之间的声信号通道响应于测量的参数(温度)改变它的声波透射率。

图9a-9c说明本发明的设备，用于监控床上个体的状态。已经发现，极高灵敏度的测量设备不仅能够检测移动、呼吸或者呼吸的停止(呼吸暂停)而且能够检测个体的心脏活动。

因此，如图9a所示，传感器(90a-90c)插入在床BD的四个脚下面。如图9b所示，各个传感器具有如上所述的结构，以包括彼此以相间隔的关系嵌入在安装在扁平安装组件94上的弹体材料体93中的发射机91和接收机92。其中床的一条腿安装在轮或者滚轴上，如标记95所示，传感器90的上端配置帽96，其形成为调节滚轴或者轮95。图9c示意性地说明串联四个传感器90a-90d的电路，以产生到控制和处理器电路98的输出。

因此将看到，图9a-9c所示的布置能够检测生命体征(呼吸、心搏动)，而且能够检测床上的人的移动。作为如图9c所示串联传感器的输出进行累积的备选，输出还可以并联，其中各个输出信号与其它输出信号无关。优选的备选方案是使从接收机到发射机的反馈穿过几个传感器构成的整个环，以便得到的频率取决于所有传感器中的总延迟，那就是说，一个传感器的接收机将触发环中下一传感器的发射机，使得系统仅仅要求一个测量通道。也可以只使用一个或两个传感器。用于连接传感器的导线能附着到床架上。传感器可以制成为防水的，并且能设计为这种高灵敏度的，以便能够感测涉及几克力的微细移动或者振动。

图10是说明适于防止褥疮的本发明的传感器。为此，可以将多个传感器100a、100b-100n定位为床垫101下的任何期望的数量和图案，以检测个体与床垫接触的身体的一个特定面积的任何移动、血流的变化等等。所有传感器连接到有效的控制和处理器电路102，如果没有检测到移动、或者如果血流速度在一个预定面积中在一个预定时间周期内下降，则激励床移动器103以便移动床垫或床，从而导致个体位置的变化，从而减少或者排除产生褥疮的机会。

已经发现，根据本发明构造的传感器能够获得这种高度灵敏度，它们可位于床垫101下、位于床垫中、或者床垫的上表面上以便与个体的身体直接接触。

虽然图10说明系统应用于床垫用于避免褥疮，但同样的系统也可以放置在轮椅的座垫中。同样，虽然受控装置是一个用于床、床垫的移动装置、或者座垫移动器，但也可以控制按摩或震动装置以按摩或震动受影响的区域。另外，它们能充当呼吸暂停监视器；并且在床是两个人使用的双人床时，可以使用两个这种的传感器，一个传感器位于一侧，两个传感器连接到在公共警报器，如果相对于床上的人检测到监控的紧急情况(即呼吸或心脏状况)时，则启动报警器。

图11说明本发明作为防打鼾装置的应用。在这样使用时，显示为110a，110b-110n的一个或多个传感器、最好是加速度类型的，可应用于个体的胸部、床、立柱、和/或枕头以产生到控制和处理器电路112的输出。控制和处理器电路112将被程序设计为识别表示“打鼾”出现的输出并且自动地激励枕头移动器113移动枕头，或者产生另一干扰(例如柔和的“拔动”)给个体以求中断打鼾。图11所示的配置由此提供了一种生物反馈系统，其中每次检测到打鼾时干扰用户，目的是将打鼾慢慢地减少到零数量。

图12-14说明本发明应用于各种型式的手指探针以测量个体的脉搏率、血压、或者其它心血管的状况。

在图12中，图中标示为120的传感器是戒指状的，佩戴在个体的手指上。它包括嵌入在环形配置的弹体材料体123内的发射机121和接收机122。弹性体123形成在具有气腔124的一侧，从而在另一侧限定声信号通道，用于从发射机121到接收机122的声脉冲。如图12示意性的显示，发射机121和接收机122连接到控制和处理器电路125，该电路进行由通过手指的脉动血流引起的声音路径长度的变化的测量。

图13说明与图12所示类似的传感器130，除了发射机131和接收机132在弹性体133的一侧径向对齐，以产生径向延伸的声信号通道，并且弹性体为椭圆形以便向放置在传感器的开口中的手指施加一个挤压的、但是不堵塞的力。如上所述，通过个体手指的脉动血流将通过发射机131和接收机132之间的相对位置变化来检测，以进行脉搏率的测量。

图14说明手指探针类型的传感器140，类似于图12和13中给出的那些。它包括发射机141和接收机142，嵌入在环状弹性体143内的间隔位置处。但是在这种情况下，环用带144封闭，它施加预定压力给放置在环内的手指。带144的存在也引起声音脉冲从发射机141通过期望声音路径传递到接收机142。

图15说明在图中标示为150的传感器，用于根据示波方法测量血压的系统中。图15所示的系统包括环带151，它可经管152由手动泵153和单向阀154膨胀。管152还包括阀155，它在环带已经膨胀到期望压力时自动地闭合。在膨胀起来时，环带151内的压力通过在环带中形成的小孔156逐渐降低。

环带内的压力由借助于管157连接到环带的传感器150连续监察。传感器150电连接到控制和处理电路158，以便以如上所述的形式控制传感器，并且还输出传感器检测的环带压力测量。

环带151最好大小为可放置在对象的手指上，并因此检测流经手指的动脉血。但是，应该理解，环带151的大小还可以为围绕人的手臂，就像传统的测量血压的示波方法。

依据这种血压测量方法，环带151由泵153膨胀到超出患者的收缩压的压力，然后阀155自动地闭合。环带151中的小孔156(或者在连接管157中)逐渐降低环带中的压力。由控制和处理电路158控制的压力传感器150测量环带内的压力并且进行这种测量的输出。

依据这种血压测量技术，患者的动脉内由患者的脉搏搏动引起的压力波动传递到膨胀的环带151，随着环带逐渐放气，引起环带内轻微的压力变动。因此，来自压力传感器150的输出，就是出现在其控制和处理电路158中的，一般是表示降低环带压力以及与患者的脉搏搏动有关的重要的小的周期性变化的直流分量。这些小变化往往被认为是“振荡复合体”、或者简单地“振荡”。患者的血压可以根据已知的血压测量的示波方法基于这个振荡情况的分析来估算。

因为根据本发明构造的传感器150可得到格外高灵敏度的位移，因此这种传感器在此血压测量方法中特别有用。

图16说明本发明用于测量例如汽车传动系统的传动轴中扭矩的应用。还说明了本发明的另一特性，即用于排除或者减少测量中的温度漂移(或者其它瞬态效应)的效果。

图16所示的设备包括两个传感器160a、160b，每个传感器具有如上所述同样的结构，包括嵌入在限定声信号通道的弹体材料体163内的发射机161和接收机162。两个传感器160a、160b在它们的一端固定到车辆传动系统的飞轮165上，另一端彼此面对并且对齐。

车辆传动装置的传动轴166配置了位于两个传感器160a、160b的对面端之间并固定于其间的一个臂167。两个传感器以相减的方式连接到控制和处理器电路165，使得一个传感器的输出频率将从另一个传感器的输出频率中减去。

假定传动轴166以箭头方向旋转(顺时针)，则可以看到，施加到传动轴的扭矩的增大将压缩传感器160a、并且将扩张传感器160b。因此，传感器160a的输出频率将增加(+Δf)，而传感器160b的输出将减少(-Δf)。另一方面，温度漂移(Δf_T)、速度、或者其它瞬变影响对两个传感器将是一样的。因此，通过从传感器160a的输出减去传感器160b的输出，产生了作为2Δf函数的输出转矩(T)，因为各个频率的温度漂移分量从另一个取消了。因此：

T＝f₁-f₂＝(f₀+Δf+Δf_T)-(f₀-Δf+Δf_T)＝2Δf

因此，图16所示的配置不仅消除或减少了温度漂移效应(以及其它瞬变影响)，而且显著地增加了输出信号。另外，由于沿除了图16所示的轴AS的任何轴施加到两个传感器上的力，将对两个传感器的输出频率在温度漂移影响方面具有类似的影响，那些力(比如由于速度变化导致的离心力)也倾向于在一个传感器的输出频率减去另一个的输出频率时抵消，使得图16中的轴AS将作为唯一的灵敏轴。

应该理解，图16所示应用中的前述特性增强了测量的准确度，还可用于许多其它应用中，比如之前描述的或以下将描述的那些应用。

图17说明本发明应用于车座的另一应用，例如用于监察座位上的人的状况、和/或根据车里面的人的存在或者不存在、或者车里面的人重量(例如辨别孩子和成年人)来控制气囊。因此，图17说明根据特定应用的车座VS，它包括一个或多个传感器170a-170n，位于车座的不同位置上。图17还说明控制和处理器电路176，用于控制各种传感器并用于产生期望的输入，如以上相对于图1和2所述的那些，但是还包括气囊启动器177，用于输出需要控制气囊的启动时。例如，气囊能控制为只有当从各个车座检测到呼吸或者血脉搏表示位置有人使用时才被启动。检测的呼吸和/或血脉搏率还可以和车里面的人的重量一起检测，例如以辨别孩子和小个子的成人，并因此控制气囊启动。

图18a-18c说明传感器组件、总的标示为180，包括布置在一个矩阵中的多个传感器180a-180n，其中每个传感器包括声波发射机181和声波接收机182，它们以间隔关系嵌入在弹性体183内。弹性体183可以是所有传感器180a-180n共有的，或者可以对每个这种传感器有一个单独的弹性体。所有发射机和接收机经扫描仪186连接到一个公共的控制和处理电路185，扫描仪186顺序地扫描传感器以便控制它们并接收它们的输出。

图18a-18c所示的这种传感器组件因此可以用于几个前述的应用，例如，检测图9a-9c的床或者轮椅应用中的生命体征、防止图10的应用中褥疮、或者检测图17的气囊控制设备中的重量、呼吸、和/或心脏速率。由于组件的操作部件全部嵌入在塑料(弹体材料)内，因此这种传感器组件还可以用作防水键盘或者其它输入设备。传感器组件的防水特性还使它能够用于单个传感器单元或者多个传感器单元，作为电子开关或者用于控制各种型式的器具的其它输入装置，比如洗衣机、热水器等等在受潮时可能涉及危险的器具。

图19说明根据任何上述结构用来测量增压容器195内压力的传感器190。图20说明用来测量密封管205内压力的这种传感器200。

图21说明如上所述构造的传感器组件210，用于支撑秤215以便测量放置在秤上的对象的重量。在图21所示实例中，秤215由两个布置为如上参考图16所述的差动或者相减关系的传感器210a、210b的组件在它的四个角悬置支撑。

图22说明在图中标示为220的传感器，用来测量浸入了传感器的液体225的密度。例如，液体可以是游泳池226中的水，其中测量的密度将表示水的氯气或者水的pH的浓度。最好，图22所示的传感器220也包括温度灵敏传感器单元227，如上参考图8所述，用于提供传感器220输出的测量的温度补偿。传感器220还可以用作深度计，用于测量它浸入的水或者其它液体中的深度。

图23说明根据本发明构造的传感器，用于测量磁场的密度。这种传感器，总的标示为230，可以是任何上述结构，包括以彼此间隔的关系嵌入在限定传感器的声信号通道的弹体材料体233中的声波发射机231和声波接收机232。但是在这种情况下，弹体材料体的一端或两端将安装一个磁体，如标记234所示，从而产生根据传感器检测的磁场压缩或者扩张声信号通道的力。

图24说明一个组件，它包括两个加速度类型的传感器240a、240b，安装在可绕转动轴242旋转的主体241上。两个传感器240a、240b分别包括如上相对于图4所述的重锤245a、245b。然而在这种情况下，传感器240a由旋转体241承载，使得其重锤245a向外径向定位；因此传感器240a将提供重锤进行的离心力的测量，从而测量主体241的旋转速度。另一方面，传感器240b定向为它的重锤245d相对于传感器成切线扩展，因此它的输出将是旋转体241的线速度的测量。

图25说明总的标示为250的传感器，根据本发明构造为用于测量流体介质中对象的线速度，例如根据皮托管测量技术测量飞行器通过空气的速度。皮托管定向在行进方向上。它在皮托管的一端包括一对室251、252、定向在飞行器行进方向上并与室251通信的主通道253、以及多个垂直于飞行器行进方向而定向并与室251、252通信的开口254。

因此将看到，室251内的压力是总压力(P_T)，它是经通道253检测的动压(P_p)和经通道254检测的静压(P_s)的总和；而室252内的压力仅仅是经通道254检测的静压(P_s)。

室251内的总压由传感器250a测量，而室252内的静压由传感器250b测量。其它传感器可以是任何上述结构，以包括以间隔关系嵌入在弹性体内的声波发射机和声波接收机限定的声信号通道。

将要看到，速度V产生的动压(P_D)可通过从传感器250a检测的总压(P_T)减去传感器250b检测的静压(P_s)而确定。然后，所确定的动压(P_D)可用于根据以下已知的等式确定弹性体的速度。

$>{}^{}$

其中P_T是传感器250a测量的压力；Ps是传感器250b测量的压力；以及r是空气密度的本地值。

图26说明本发明实施为加速度类型的传感器，该传感器总地标示为260，包括外壳261。外壳261充当用于将传感器安装在患者的身体PB上的安装组件，如利用弹性带状物262安装，以图5所示的方式检测呼吸和/或心搏动。然而在这种情况下，传感器260包括在一端262a枢轴地安装到外壳261上的臂262。臂262的另一端262b的一侧用粘合剂固定到软弹性材料体263的一端，该软弹性材料体263在以间隔关系嵌入在其中的声音发射机263a和接收机263b之间限定一个声信号通道。软弹性体263的另一端由粘合剂固定到外壳261的内表面。枢轴臂262的端262b的下面承载重锤264，例如由粘合剂固定。

图26所示的结构提供了一个极敏感加速度类型的传感器，它检测患者的身体PB的呼吸和心脏移动，并进行这种移动的高精密测量。

应该理解，图26所示的加速度类型传感器可以安装在患者身体的另一个表面，例如手腕或者手臂上，以便检测和测量由心搏动产生的位移，即患者的血脉搏。这种加速度类型传感器还可用于许多非医学的应用中，比如地震检测器、安全围墙等等。其中要求对快速动作或高频率移动的高灵敏检测或者测量。

图27图示总地标示为270的传感器，其中软弹体材料271的形式为窄带，从而在间隔的声波发射机272和接收机273之间限定一个狭窄的声信号通道。图27所示的传感器还包括阻尼器或者吸声材料，用于有效地吸收除狭窄的声信号通道中的声波以外的声波。图27图示阻尼器为在声信号通道的相对端的各个端的预制体274、275。用于阻尼器274、275的适当材料为具有高声波衰减特性的相当软的橡胶。尽管图27图示的阻尼器仅仅用在声信号通道的相对端上，但应该理解，这种阻尼器材料也能用在声信号通道的其它表面，比如下表面上。

图28图示加速度类型的传感器装置280，它具有结构为图27所示的条型传感元件270。因此，传感器280包括在两个支柱282、283之间悬置安装的传感元件270的外壳281。外壳281还包括重锤284，它在一端具有悬置的突出物285，能与传感元件270的中部接合。重锤284的另一端(未显示)枢轴地安装到外壳281上，使得传感元件270的中部由于重锤284的位移(更具体地说，随着位移的变化率)而偏斜。图28所示的加速度类型的传感器装置280因此还配备一个高灵敏部件，用于检测和/或测量移动，并因此还可用于如上参考图26所述的应用中。

图29和30分别是利用图27的条型传感元件270的压力传感器装置290的组件和分解图，用于感测外壳内的室内压力。传感器290包括外壳291，它限定一个与端口293通信的室292，用于要测量压力的流体。为此，室292由承载了结构为以上相对于图27所述的传感元件270的薄膜293封闭，使得薄膜和传感元件可随室内的压力而变形。例如，薄膜293可以是具有高的声音衰减特性的软橡胶，从而还充当吸收除传感元件270的狭窄的声信号通道中的声波以外的声波的阻尼器。

传感器装置290还包括块295和盖296，用于在压力室292上固定薄膜294。块295由腔297构成，提供到传感元件270的发射机和接收机的通路，块295还包括电连接器298，用于进行到传感器的适当的电连接。

图31图示传感器装置310，特别适用于检测和/或测量传感器的横向位移，比如参考图5所述的。因此，传感器310包括具有参考图27所述的结构的条型传感元件270，具有在声波发射机272和声波接收机273之间的软弹体材料构成的狭窄的声信号通道271。在图31所示的结构中，传感元件270安装在弹性部件311上，比如胸带，用于检测呼吸和/或心搏动。因此，患者的呼吸和心搏动将产生弹性部件311以及传感元件270的狭窄的声信号通道中软弹体材料271的延伸和收缩，从而使传感器能够以高灵敏度检测和/或测量这种呼吸或者心搏动。

传感元件270的弹性部件311最好是比如具有高的声波衰减特性的软橡胶的材料，以便吸收除传感元件270限定的狭窄的声信号通道中的声波以外的声波。

图32图示在图中总的标示为320的传感器组件，用于到诸如机翼321的对象的表面，以测量其变形和/或其上的压力分布。因此，传感器组件320包括图示为322的大表面面积的软弹性材料体，施加于并适配在机翼321的表面上。软弹性材料体322包括多个声波发射机和接收机对，比如图示的323和324，它们位于弹体材料体内，使得每一对用在它们之间的软弹性材料322部分限定一个单独的声信号通道来检测和/或测量各个声信号通道所在的机翼321的表面上的变形和/或压力分布。

作为备选配置，可以由多个单独的条型传感元件270来检测和测量机翼320的表面上的变形和/或压力分布，其中每一个单独的条型传感元件270具有以上参考图27所述的结构，并被固定到机翼的表面。

图33图示一个手持便携式电气装置，总地图示为330，比如蜂窝式电话手机、PDA等等，其中结合了根据本发明构造的传感器340。便携式电气装置330可以是任何普通结构。为了举例，显示为包括配置了显示窗口332并安装了多个按键333的外壳331，按键用于拨电话号码或者输入其它信息。包括在电气装置330中的传感器340在图34和35中更具体地示出。

图34和35所示的传感器340是位移类型的传感器。它包括配置为按钮并放置在形成在外壳331中的槽334中的软弹性材料体341。声波发射机342和声波接收机343被固定到软弹性体341的对侧，使得发射机和接收机之间的部分弹性体限定用于由发射机发射的声波到接收机的声信号通道。软弹性材料体341具有外凸表面344，它从外壳331向外突出，以便与用户的身体部分接合，这一点将在下面描述。弹性体341包括可变形的间隔单元345，比如整体形成在弹性体341的外表面上的球形突出物，用于隔离外壳331的侧面和弹性体的内面，从而在传感器的外面344与用户的身体部分接触时，允许弹性体341在发射机342和接收机343之间的部分膨胀和收缩。弹性体341的底部，以及弹性体341的两侧没有被发射机342和接收机343占用，并且最好放置吸声材料，如图中分别显示的346、347和348所示。

传感器340可因此用来检测和/或测量将手指作用在弹性体341的外表面344上的用户的血脉搏率，使得脉动将产生发射机342和接收机343之间声信号通道的有效长度的变化(压缩和扩张)，从而提供高灵敏度的用户血脉搏的检测和/或测量。手持单元同时可用于检测和/或测量呼吸，方法为相对于用户的胸部按压弹性体341的外表面344，使得用户的呼吸产生发射机342和接收机343之间声信号通道的压缩和扩充。

图36图示传感器360，它具有与图34和35所示传感器340类似的结构，除了它包括作为惯性部件的重锤361，从而使传感器成为加速度类型，即响应于检测的位移的变化率。

将位移类型传感器(图34、35)或者加速度类型传感器(图36)结合到蜂窝式电话手机中的一个重要优点在于对脉搏率、呼吸率等等的测量可以经电话传送到远的地方用于察看、会诊、进一步地处理、存储等等。

这种手机的另一可能应用，特别是在包括图36所示的加速度类型传感器时，是用作里程计。于是，在用户行走或者跑步时发射机和接收机之间产生的声信号通道的压缩和扩张将识别用户的跨距，从而提供在任何特定时期期间行进的步幅数量的测量。例如，手机可对各个用户在行走期间和/或在跑步期间行进的距离进行定标。因此，通过累计用户行进的跑步或者跨步的次数，在预先存储各个步幅的长度之后，手机可用于提供用户行进的总距离的测量。

图37图示在图中总地标示为370的另一配置，使诸如图33和34所示的手持便携式电气装置也能够用作用于测量行进距离的里程计。这种配置将重锤安装到用来携带装置在人身体上的带夹或类似的夹具上。

因此，图37图示夹具371，它可用任何常规方式附在用户的带子上，用于携带便携式电气装置330，其中传感器按钮340朝夹具的另一个部分372向外突出。部分372又枢轴地从其上端(图示为374)安装重锤373，使得携带便携式电气装置330的个体的每个步幅移动将致使重锤371绕传感器340旋转，从而使传感器能够识别每个步幅。

图38说明根据本发明构造的差分类型压力传感器380。它包括外壳381，外壳381具有一个可变形薄膜382，将外壳内部划分为两个流体室C₁、C₂，每个流体室具有连接到压力源的端口383、384，使得薄膜根据两个室中的压差变形。图27所示的结构的狭窄的声信号通道安装在薄膜382的每个对侧上，以便根据薄膜的变形检测各个室内的压力。因此，一个狭窄的声信号通道270a，包括发射机272a、接收机273a、以及两个吸收元件274a、275a，安装在薄膜382的一侧上，并且第二狭窄的声信号通道270b，包括它的发射机272b、接收机273b、以及吸收元件274b、275b，安装在薄膜的对侧上。外壳381还包括电连接器385、386，分别用于各个狭窄的声信号通道270a、270b。因此，用于声信号通道270a的连接器385包括：用于它的发射机272a的两个端子385a、385b；用于它的接收机273a的两个端子385c、385d；以及第五端子385e，用于为各个声信号通道配置的屏蔽电极。连接器386包括用于它的声信号通道270b中各个单元的对应端子。

可以看到，薄膜382对侧上的两个室C₁、C₂中的压差将产生薄膜的对应变形，该变形将由声信号通道270a、270b测量。

图39是图示力传感器390的平面图，力传感器390还构造了如上参考图27所述类型的两个狭窄的声信号通道，用于进行力的温度补偿测量。图39所示的力传感器390包括安装诸如圆形薄膜(例如橡胶的)的可变形部件392的安装部件391，它在一面安装一个狭窄的声信号通道270c，并在对面安装另一个狭窄的声信号通道270d，因此后者用虚线表示。要测量的力施加在两个力接收部件393、394上，这两个部件彼此沿轴As对齐，该轴限定力敏感轴。因此，当沿轴As施加压力时，安装部件391以及其上安装的两个声信号通道270c、270d的圆形薄膜392变形，如图39的虚线所示，使得沿力敏感轴As压缩，并且沿垂直于轴As的轴扩张。

如图39所示，一个声信号通道270d安装为与轴As对齐，而另一个声信号通道270c沿垂直于轴As的轴安装。因此，声信号通道270c将根据施加的力而长度增加，而声信号通道270d长度下降。两个声信号通道的输出以参考图16所述的相减方式连接，从而消除温度的影响，以便使传感器对温度变化不敏感。

图40a图示用于测量重量或者其它施加的力的传感器组件，而图40b图示一个包括在图40a的传感器组件中总的标示为400的固定装置。各个固定装置400包括一对并列的臂403、404，在一端由U形弯头405接合。一个臂404在其开端形成一个阶梯式的加长部分404a，从而增加其开端404a和另一个臂403的开端之间的间距。臂403的U形弯头用扣件406固定到板401上以接收外力，并且另一个臂404的U形弯头由另一扣件407固定到框402上，使得施加到面板401上的力F使各个固定装置400的U形弯头405弯曲。

图27所示的结构的狭窄的条型传感器在图中总地标示为270，它在各个固定装置400的开端固定在臂403和臂404之间。每个传感器270具有如上参考图27所述结构，包括声波发射机和声波接收机之间的弹体材料构成的声信号通道，使得声信号通道的收缩(或者拉长)提供施加到各个固定装置400上的力的测量。

图41图示另一个根据本发明构造的狭窄的条型传感器，在图中总的标示为410。在这种情况下，狭窄的条传感器被固定到由圆柱形配置的压力可变形材料体411的外表面，以便沿至少一部分材料体四周延伸。因此，如图41所示，压力可变形材料体411形成了一个环形槽412，介于其相对面之间并沿其至少一部分圆周延伸。凹槽412内固定的是具有图27所示的结构的狭窄的条型传感器，包括弹体材料的窄带413、在一端的发射机414以及在相对端的接收机415。最好，传感器还在其相对端包括吸声材料构成的阻尼器单元416、417，用于将反射声波并且限制发射机414生成的声波约束到弹体材料的窄带413中。

由此可以看出，当压力施加到圆柱体411的相对面时，圆柱体厚度减少但直径增加，从而增加了发射机414和接收机415之间声信号通道413的长度。这种声信号通道转送距离的增加因此能够以上述方式检测和测量外力。

压力可变形体411可以是橡胶或者其它吸声材料。此外，狭窄的传感器条413能延续为基本上完整的圆周体411的圆周，但发射机应该在与传感器通道413相反的侧上，由吸声材料与接收机间隔，以便基本上将声波约束到弹性条413限定的声音通道中。

图41所示的传感器410可以用于许多上述应用中，但是在呼吸暂停监察器中特别有用，如图43所示，用于监察人的心脏和呼吸活动。

图42图示另一个根据本发明构造的传感器，并且该传感器在如图43所示的呼吸暂停监察器中特别有用。因此，如图42和43所示，图中总地标示为420的传感器安装在一对面板421、422之间，可用在人所在的床垫之上、之下、或者之中(例如婴儿、年长患者等等)，他们的心搏动和呼吸活动将被监视。传感器420包括印刷电路板423，它形成有一个由一对导电垫424跨接的开口423a。声音通道型传感器包括一条弹体材料425，一端具有声波发射机426，并且另一端具有声波接收机427。弹体材料425应用在导电垫424上，以覆盖印刷电路板423中的开口。到声波发射机和声波接收机的电连接由焊料428连接到导电垫424。

其上固定了弹性体声信号通道425的印刷电路板423得到具有突出到印刷电路板中的开口423的突出物429a以便支撑弹性条425的下表面的橡胶体或者其它吸声材料的支撑。印刷电路板423还包括覆盖弹性条425的声波发射机和声波接收机的刚性帽430，该刚性帽还具有一个中央开口430a，以暴露弹性条425的上侧。另一橡胶体或其它吸声材料431插入在帽430和另一个面板421之间，并且形成有突出部分431a，它突出到帽430中的开口430a，以接合弹性条425的上侧。

可以看到，施加到板421上的任何力将使弹性条425偏斜，如图42中的虚线所示，从而增加弹性条的有效长度，并因此增加从它的发射机426到它的接收机427的声波的传播时间，以提供以上述方式对外力的测量。

如上所示，图42的传感器420(以及图41的传感器410)，特别是在包括在图43所示的呼吸暂停监察器中时，对外力非常敏感，因此不仅能够检测人的呼吸活动以及其它动作，而且可以检测人的心脏活动。因此，如图43所示，传感器420的输出能被用于控制电路432、该控制电路432因此能检测呼吸活动的缺少，如框433所示，或者检测缺少心脏活动，如框434所示。

因此，所示的呼吸暂停监察器包括振荡器435，它在必要时被激励以刺激个人；以及警报器436，它可以被激励来向另一个人通知警报状况。因此，如图43所示，如果在一个预定时段(t₁，例如5秒)没有检测到心脏活动，则警报器436立即被激励。另一方面，如果在一个预定间隔(t₂，例如20秒)没有检测到呼吸活动，振荡器435被激励以图刺激个人；并且如果在另一时段(t₃，例如另外10秒)持续缺乏呼吸活动，则警报器436被激励。

应该理解，这种呼吸暂停监察器可以为单个人提供(例如，婴儿、年长患者)；另一方面，在两个人(例如年长的个人)使用双人床时，可以提供两个这种呼吸暂停监察器，一个人一个，以便在发现存在报警状况时激励警报器以通知另一个人。

应该理解，图42所示的传感器以及图43所示的呼吸停止监察器可用于许多其它应用中，例如在之前描述的防褥疮设备或者防打鼾设备中。

由于本发明的传感器在检测和测量极小位移或者微位移时可得到极高灵敏度，因此这种传感器在根据患者呼吸和/或心搏动同步成像系统的操作中特别有用。

因此，磁共振成像(MRI)系统产生的详细图像往往由于在心脏和呼吸周期期间患者的动作而模糊。患者的ECG信号常常用作同步MRI设备的操作的选通信号，但ECG信号并不与导致模糊的机械动作紧密相关。手指探针也用于此目的，以便检测脉动的血流，但利用这种传感器也引入了心脏活动引起的动作和感测血脉搏之间的时间延迟。

根据本发明构造的传感器在直接感测由于心搏动和/或呼吸活动产生的极小位移，以便根据这种检测的移动产生同步MRI设备的操作的选通信号从而减少或消除这种移动产生的图象模糊时特别有用。例如，如上所述的加速度型传感器可以施加到人的胸部以检测心搏动；和/或如上所述的位移型传感器可以用弹性带施加到患者的胸部或者在患者的身体支承构件下面以检测患者的呼吸活动。通过利用这种传感器用于检测患者由心脏和/或呼吸活动引发的以及用于产生同步MRI设备的操作的选通信号的微位移，能减少或消除在成像操作期间人体运动产生的模糊以产生比迄今ECG或者脉动的血信号可得到的清楚得多的图像。

虽然根据本发明构造的传感器因此在MRI过程中特别有用，但它们也在其它类型的成像、包括CT、PET、核、超声波、以及X射线成像中有用。

另外，虽然这种传感器在检测心脏和呼吸活动，以及根据检测活动同步成像系统的操作时特别有用，但应该理解，这种传感器还可以用于检测患者的其它活动，比如胃活动、肾结石的活动等，并且用于据此同步成像系统的操作。

图44-50图示在传感器和如上所述利用这种传感器的系统中有用的其它特性。因此，图44和45涉及新颖的频率测量电路和方法；图46-48涉及新颖的温度补偿电路和方法；以及图49和50涉及新颖的频率产生电路和方法。

相对于图44和45的频率测量电路，高分辨率测量时间间隔的常规方法是利用高频时钟振荡器。但是，传统的振荡器是昂贵的，并且具有大的电流消耗，因此减少了它们在上述传感器系统的低功率和低成本应用中的使用。

在图2的方法中，假定反馈回路中的频率f_x周期是1MHz(即周期为1μs)；测量时间是10ms；并且时钟频率是100MHz(即时钟周期或者分辨率是10ns)。实际上，测量10ms/1μs的持续时间(10000个周期)，能够区分1ns的总持续时间的变化，或者1ns的周期的变换(10000＝10-4ns)，即可区分10μs和0.9999999μs的周期之间的区别。这对应于1MHz中0.1Hz的频差。这种系统实现甚高分辨率，但100MHz时钟导致如上所述的缺点。

现在考虑相同的测量条件，即测量频率为1MHz，偏差0.1Hz，并且测量时间为10ms。图44图示用于这个目的的测量电路，该电路由以下单元组成：基准频率合成器441；混频器442；时钟振荡器443；以及测量单元444。

假定合成器441产生频率fs＝999.5kHz。于是混合器的输出将为1MHz-999.5kHz＝500Hz没有偏差，并且1.0000001MHz-999.5kHz＝500.1Hz，测量频率偏差0.1Hz。

500Hz的频率对应于2ms的时段，并且500.1Hz的频率对应于1.9996ms。如果要测量5个周期的持续时间(10ms)并且要区分这5个(2ms-1.9996ms)、(或者0.002ms)，则需要具有这个周期(0.002ms)的时钟383m，该周期对应于500kHz的频率。

因此，有可能使用低频率时钟443(如500Khz)代替100MHz的时钟来提供同样的分辨率。另一方面，可以提供时钟(如直至5MHz的相对低的值)来减少测量时间(如到1ms)。

图45图示其中频率计和时钟振荡实现在具有一个获取器件的微处理器450中的方法，即测量频率的每个边缘可控制内部锁存寄存器以便固定用内部时钟振荡器记时的内部计数器的状态。处理器计算锁存寄存器的连续时期之间的时间差。

合成器(图45中的451)可以实现为时钟振荡器输出脉冲的计数器451，并且其频率可以用来自微处理器的预置信号控制。混频器(图45的452)可以实现为具有低通模拟滤波器453和比较器454的数字“与”逻辑元件452。就像所有的非线性单元，″与″逻辑元件452在其输出上建立差频率以及和频率。低通滤波器453仅仅提取正弦差频率，比较器454建立用频率计444接收的矩形脉冲(图44)。

相对于图46-48，图示了温度补偿特性，温度影响能量传播的速度并且开始热膨胀，如上所述，由此将导致发射机和接收机之间传播时间的变化。由于上述传感器系统很高的灵敏度，可能在输出频率中存在相当的温度漂移。当测量缓慢改变的信号时，很难区别信号变化和温度漂移。

温度漂移可以通过如上参考图16到44所述的双通道测量消除。图46图示这种双通道测量系统，包括测量力的两个传感器S₁、S₂。如图46所示，要测量的力产生作用，以扩张传感器S₁并收缩传感器S₂。因此，传感器S₂的输出频率将增加(+Δf)而且传感器S₁的输出将减少(-Δf)。最终输出信号通过从一个输出频率减去另一个输出频率来得到：

F＝f₁-f₂＝(f₀+Δf+Δf_T)-(f₀-Δf+Δf_T)＝2Δf

由于温度漂移导致两个通道中相同的改变(Δf_T)，因此相减将消除温度漂移引起的变化。

实际上，在如图47所示的标准方法中，每个测量通道471、472测量输入频率和时钟的比率。标准方法利用用于两个测量通道和用于处理器474的专用时钟振荡器473。上述方法的缺点在于，它需要使用两个单独的测量通道，并且需要分配处理器时间来完成减法算法。

图48图示一个改进方法，其中一个传感器S₁用于单个测量通道，并且第二传感器S₂连接到锁相环(PLL)电路481的输入端。PLL电路481的高频输出用作测量通道482和处理器483的时钟。当温度改变时，测量通道的频率和时钟按比例改变。因此其比率不变，因为外力产生频率相反的改变，从而上述比率的相反改变为：

$>>R>=>>Fchannel>Fcloc>>=>>>>f>0>>+>\Delta f>+>>\Delta f>T>>>>>f>0>>->\Delta f>+>>\Delta f>T>>>>\approx >1>+>>>2>\Delta f>>>f>0>>>>s>$

应当注意，比率不必在处理单元中计算，而是自动反映在测量通道的输出中。

如上所示，此技术还实现了新频率发生器的结构。应该注意，用于现有频率发生器的晶体振荡器通常包括单个石英晶体，它具有连接到电气反馈电路的两个电极。振荡频率由晶体的机械共振确定，它比具有电容和电感的电气电路的共振频率更加稳定。这种振荡器的缺点是晶体同时用作电子-机械传感器和机械谐振器。很难将不同的要求组合在一种材料中，例如传感器的高电机械耦合、和谐振器的温度稳定性。尽管石英被认为是用于振荡器的很好材料，但对于许多应用来说，它的温度稳定性不够。

如上所述新颖传感器能够提供具有很高的温度稳定性的频率发生器，因为振动频率取决于通道材料的特性和几何尺寸，而不是压电发射机和接收机。因此有可能单独地选择最适当的材料用于机械谐振器和用于电子-机械传感器。

假定一个系统包括如上所述的两个声信号通道，其中每个通道具有一个发射机和一个利用电反馈控制发射机传送整数声波给接收机的接收机。各个通道由具有低线性膨胀系数的材料构成，该系数在两个通道中略微不同。结果，当温度改变时，每个通道中整数个声波，以及各个通道的频率都将改变。如图45所示，存在某个温度点，其中通道频率相等，并且其中温度变化得到相反的频率改变。

图50图示这种系统，包括两个通道501、502以及它们的反馈503、504，但它还配置了一个附加反馈，由具有低通滤波器的鉴相器505和控制装置506构成。鉴相器505的输入是两个通道501、502的输出。控制装置506的输出迫使两个通道同一地并且同时地改变它们的长度。

在某个温度点，当频率相等时，鉴相器505的输出为零，并且控制装置506不影响通道。当温度变化时，两个频率试图改变。它将由于通道稍有不同的温度灵敏度的原因立即在两个通道的输出中产生一个相差。鉴相器505提供给控制装置506的输出信号将迫使通道以均衡两个频率的方式改变长度。因此，两个频率将回到稳定点。

控制装置506可以用不同的形式实现，包括如下形式：

1.可以实施在加热装置中。这种情况下，选择的稳定温度点比最大工作温度更高。因此，当环境温度改变时，两个通道的温度保持在频率相等的点上，换句话说，上述附加的反馈实际上是热稳定装置。

2.可以实施在电子-机械致动装置中。在这种情况下，控制装置将产生两个通道的膨胀或者收缩，比率对应于它们的温度系数。因此，当环境长度改变时，两个通道的长度保持在频率相等的点上。

这种启动器可以实施为不同的形式：作为压电启动器，在电压施加到它的电极上时，其长度根据反向压电效应改变；作为磁致伸缩的启动器，当电流流入它的线圈时，根据磁致伸缩效应改变其长度；或者作为任何其它启动器，根据其电气输入产生位移。

尽管图44-50所示的上述特性在根据本发明如图1-43所示的传感器和系统中特别有用，但应该理解，这些特性在涉及频率测量、温度补偿、和/或频率发生的其它应用中也有用。

同时，尽管参考各种优选实施例描述了本发明，但应该理解，这些仅仅用于例示目的，并且可以进行发明的许多其它的变化和应用。例如，传感器组件不仅可包括上述轴向延伸的传感器之一(例如图1-9)、横向延伸传感器(如图34-36和42)、或者圆周延伸的传感器(如图41)，用于响应于检测的条件来检测声信号通道的转送距离的变化，但还可以包括热敏元件，比如图8所示的元件，它响应于检测的条件改变声波的转送速度。另外，如上所述尽管本发明的优选实施例利用声波发射机和接收机，但应该理解，传感器还可以实施为可见光、红外线、RF或者其它电磁能的的发射机和接收机。

本发明的许多其它变化、修改和应用都是显而易见的。