专利名称：用于测量流体弯月面的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量流体弯月面的几何形状的设备。本发明还涉及包括这种设备的导管。本发明还涉及用于测量流体的几何形状的方法。
背景技术：
在W02006/03M07A1中公开了一种可控的光学透镜系统。所述系统包括具有容纳第一和第二流体的腔体的透镜，其中流体之间的界面限定透镜表面。该系统还包括电极装置，其包括第一电极和第二电极用以电气控制透镜表面的形状；反馈控制回路，其用于基于由电容检测装置提供的信号控制电极装置，该电容检测装置用于测量第一和第二电极之间的电容。W02006/035407A1中公开的技术不太适合用于生成流体弯月面的特定几何形状， 例如斜平弯月面或者对称的凹形或凸形。
发明内容
本发明的目的是提供一种如前言所述的用于更精确地测量流体弯月面的几何形状的设备。此目的是通过依照本发明的设备来实现，该设备包括流体腔体，包括第一流体和第二流体，所述第一流体是导电的，所述第二流体是电绝缘的，以及所述第一和第二流体是相互不混溶的且在流体弯月面上相互接触；主电润湿电极和辅助电润湿电极，用于控制流体弯月面的几何形状，所述主电润湿电极位于主平面内，所述辅助电润湿电极部分地围绕所述流体腔体且位于辅助平面内；电压源，用于提供所述主电润湿电极和多个辅助电润湿电极之间的电压；测量电路，用于分别测量主电润湿电极和至少两个辅助电润湿电极之间的电容，所述测量电路包括用于解调指示所述电容的信号的多路复用器。通过提供多个辅助电润湿电极，以及通过测量所述主电润湿电极和至少两个所述辅助电润湿电极之间的电容，流体弯月面的几何形状有利地允许更精确的确定。所述辅助电润湿电极经由流体腔体中包括的导电第一流体而相互电连接。因此，取决于第一流体的特性，在所述辅助电润湿电极之间存在明显的互作用。辅助电极之间的互作用妨碍单个电容的确定。也就是说，由于所述互作用，代表主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电容的信号指示整体特性。为了抵消辅助电润湿电极之间的互作用的后果，依照本发明的设备提供用于解调代表主电润湿电极和每个辅助电润湿电极之间电容的信号的多路复用器。更具体而言，所述信号分解为代表与单独辅助电润湿电极关联的电容的多个分量。因此，主电润湿电极和至少两个辅助电润湿电极之间的电容易于(amenable for)分别测量。也就是说， 可得到更多的关于流体弯月面的实际几何形状的信息。结果，依照本发明的设备使得能够更精确地测量流体弯月面的几何形状。在依照本发明的设备的优选实施例中，所述测量电路布置成用于测量所述主电润湿电极和每个所述辅助电润湿电极之间的电容。这样做的优点在于，更多的关于流体弯月面的几何形状的信息将变得可得到。在依照本发明的设备的优选实施例中，该设备包括电压控制电路，其用于基于所述测量电路提供的控制信号控制在所述主电润湿电极和每个所述辅助电润湿电极之间提供的电压。此特征的益处在于补偿流体弯月面的实际几何形状和流体弯月面的所需几何形状之间的偏差。所述偏差可能由于下述原因引起有可能存在制造公差，或者由于例如温度变化引起的流体腔体中包含的流体的原位改性。再者，在第一流体的密度不同于第二流体的密度的情况下，由于流体腔体相对于重力场的取向的变化导致偏差。电压控制电路通过下述操作来实现对前述偏差的补偿将由测量电路提供的信号与设定点信号比较，该设定点信号代表流体弯月面的所需几何形状；以及随后基于由测量电路提供的信号和设定点信号之间的可能差异，提供主电润湿电极和每个辅助电润湿电极之间的适当电压。在依照本发明的设备的另一优选实施例中，所述测量电路包括运算放大器，其用于测量所述主电润湿电极和至少两个所述辅助电润湿电极之间的电容。所述运算放大器配置有负反馈回路，所述负反馈回路配置有预定测量电容，其中所述运算放大器布置成用于与所述多路复用器的输入端协作。所涉及实施例的测量电路的优点在于其能够抵消由于可能的寄生电容引起的干扰效应，所述可能的寄生电容妨碍了对主电润湿电极和每个辅助电润湿电极之间的电容的精确测量。这种寄生电容的潜在来源为同轴测量线缆。所涉及的依照本发明设备的实施例因此对于下面这样的应用会是特别有益的其中流体腔体、主电润湿电极和辅助电润湿电极的装置定位在远离该测量电路的地方。此处，所述装置和所述测量电路优选地经由同轴线缆相互连接。这种应用的实例是由导管给出，其中所述装置安装在导管的末端内以用于在扫描期间重定向超声和/或激光束。鉴于导管的末端相对较小的尺寸，测量电路无法集成在所述导管的末端内。因此，此实施例的另一优点在于这样的事实它使得能够在导管中使用该设备。在此具体实例中，每个辅助电润湿电极伴有至少一个寄生电容。除此之外，寄生电容被互连。也就是说，主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电容经由流体腔体中包含的第一和第二流体而相互互作用。除此之外，由于同轴线缆在使用期间的弯曲运动，寄生电容不是恒定的。在依照本发明的设备的另一实施例中，所述测量电路包括开关电路，其包括具有预定第一测量电容的第一测量电容器和具有预定第二测量电容的第二测量电容器，其中第一和第二测量电容互不相同，所述开关电路还包括用于以交替方式和相互排斥的方式驱动第一和第二测量电容器的开关，其中所述开关电路布置成用于与所述多路复用器的输入端协作。所涉及实施例的测量电路的优点在于其能够消除由于可能的寄生电容引起的干扰效应，所述可能的寄生电容阻碍了对主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电容的精确测量。在依照本发明的设备的优选实施例中，所述多路复用器为频域多路复用器且所述电压源布置成用于以特定频率提供电压。频域多路复用器通过采用解调信号来解调代表主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电容的信号，每个解调信号具有与相应辅助电润湿电极被电压源驱动的频率对应的频率分量。在依照本发明的设备的实用实施例中，所述多路复用器为时域多路复用器。所述时域多路复用器通过采用解调信号来解调代表主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电容的信号，其中每个解调信号为具有低值和高值的方波信号。所述电压源包括电压开关，其用于交替地断开与相应解调值的高值对应的电压。在方波信号达到其低值的情况下，相应电压被相应电压开关断开。当方波信号达到其高值时，相应电压通过附随电压开关而连接。在依照本发明的设备的另一实用实施例中，所述第一流体提供第一声速且所述第二流体提供第二声速，其中第一和第二声速互不相同。也就是说，穿过第一流体的声速具有第一值且穿过第二流体的声速具有第二值，其中第一和第二值互不相同。结果，通过适当控制流体弯月面的几何形状，流体弯月面能够重定向声音。所涉及的实施例的可能应用为控制超声束的方向。在依照本发明的设备的另一实用实施例中，所述第一流体具有第一折射率且所述第二流体具有第二折射率，其中第一和第二折射率不同。结果，通过适当控制流体弯月面的几何形状，流体弯月面能够重定向比如激光束的电磁辐射。本发明的另一目的是提供一种用于测量流体腔体中包含的导电的第一流体和电绝缘的第二流体之间的流体弯月面的几何形状的方法，所述流体相互不混溶，该方法包括下述步骤提供主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电压，所述主电润湿电极位于主平面内，所述辅助电润湿电极部分地围绕所述流体腔体且位于辅助平面内；以及通过包括多路复用器的测量电路，分别测量所述主电润湿电极和至少两个所述辅助电润湿电极之间的电容。在依照本发明的方法的优选实施例中，提供用于控制应用到所述辅助电润湿电极的电压的步骤，其中所述电压基于由所述测量电路提供的信号。本发明的另一目的是提供一种用于实时控制声音和/或电磁辐射的方向的导管。 本发明的此目的是通过依照本发明的导管来实现的，所述导管配置有依照本发明的设备。本发明还涉及如权利要求11至13所限定的依照本发明的设备在导管、光学存储设备和光学照相机中的用途。
图IA以截面图示意性描绘包括流体腔体、主电润湿电极和辅助电润湿电极的设备。图IB示意性示出图IA中描绘的设备的仰视图。图2示意性展示电润湿透镜连同同轴线缆和测量电路的电气特性的模型，该测量电路应用到依照图IA和图IB的设备。图3A以截面图示意性描绘包括流体腔体、主电润湿电极和辅助电润湿电极的设备，该设备还包括配置有时域多路复用器的测量电路。图;3B示意性展示图3A中描绘的设备的仰视图。图4示意性展示电润湿透镜连同同轴线缆和测量电路的电气特性的模型，其中该测量电路应用到图3A和图;3B的设备。图5描绘代表用于测量流体弯月面的几何形状的方法的流程图。
具体实施方式
在图1A、图IB和图2中描绘依照本发明的设备的第一实施例。图IA描绘设备102 的截面图和仰视图，而图IB示出所述设备的仰视图。设备102包括流体腔体104，该流体腔体104具有底部106以及含有壁部108、110、112和114的壁，另见图1B。壁部108、110、 112和114配置有用于防止短路的绝缘层116，见图1A。在可替换实施例中，流体腔体可具有圆锥形或圆柱形壁，或者任何其它合适的壁。设备102还包括主电润湿电极118，在此具体实施例中所述主电润湿电极附连到底部106 ；以及辅助电润湿电极120、122、124和126， 见图1B，所述辅助电润湿电极部分地围绕流体腔体104并且分别附连到壁部108、110、112 和114。在此具体实例中，主平面119和辅助平面121、123、125和127不吻合。参考图1A，流体腔体104包括第一流体1 和第二流体130，所述第一和第二流体是相互不混溶的并且限定流体弯月面132为流体1 和130之间的界面。第一流体1 是导电的并且第二流体130是电绝缘的。也就是说，第一流体1 具有第一电导率并且第二流体130具有第二电导率，其中第二电导率相比之下明显小于第一电导率。理想地，第二电导率为零(nihil)。优选地，第一流体的密度和第二流体的密度没有明显的相互差异，从而使得设备102对于其相对于重力场的取向变化较不敏感。在工作期间，电压V^ \、V3和V4由电压源134分别以频率f\、f2、f3和f4 提供到相应的辅助电润湿电极120、122、124和126。此处，兴f2兴f3兴f4成立。通过提供所述电压到辅助电润湿电极120、122、124和126，经由控制接触角
φ 1和φ 2来控制流体弯月面132的几何形状，见图IAo接触角f ！限定为流体弯月面132 和壁部108之间的角度，接触角φ 2相应地限定为流体弯月面132和壁部112之间的角度，
见图1Β。在此实施例中，目的是生成倾斜的直流体弯月面，如图IA所示。通过采用电润湿效应来控制接触角。通过测量主电润湿电极116和每个辅助电润湿电极120、122、1Μ和 1 之间的电容来估算接触角。也就是说，前述电容由覆盖有导电的第一流体1 的电润湿电极的区域136和138的尺寸确定，其中覆盖有导电的第一流体128的区域136和138与所述接触角成比例地变化。流体弯月面132和壁部110以及114之间的接触角同等地被控制。在此具体实例中，设备102安装在导管的末端140内，目的是实时控制由超声换能器144生成的超声束142的方向，如图IA中所描绘。为此目的，第一流体提供第一声速并且第二流体提供第二声速，其中第一声速不同于第二声速。发生在流体弯月面132处的声速的不连续将重定向超声束。因此，通过控制流体弯月面的倾角，超声束142被转向例如人体内部的目标位置。读者参阅W02006/035407A1以得到更详细信息。设备102不限于应用在导管中；其它有希望的应用为内窥镜、活检针和扫描显微镜。由于导管末端的尺寸比较�。饬康缏�144和电压源134无法与导管的末端140 集成。因此，测量电路144和电压源134位于远离导管的末端140的地方。测量电路144布置成用于基于信号153分别测量主电润湿电极118和辅助电润湿电极120、122、124和1 之间的电容。信号153指示主电润湿电极118和每个辅助电润湿电极120、122、124和126 之间的电容，所述电容分别用(；、(2、(3和(；表示，见图IA和图1B。因此在此具体实例中， 每个辅助电润湿电极120、122、124和1 被测量电路144考虑到。测量电路144和电压源 134通过同轴线缆146、148、150、151和152物理连接到电润湿透镜102。尽管所述同轴线缆被屏蔽使得同轴线缆之间不存在相互耦合，但是同轴线缆146、148、150、151和152引入明显的寄生电容器，其具有寄生电容‘、(1)2、(1)3、(1)4和(1)5。由于同轴线缆146、148、150、151 和152在使用期间弯曲运动的原因，寄生电容不是恒定的。注意，线缆146、148、150和151 可以由常见电绝缘线缆来实施，在所述线缆之间会形成线缆寄生电容。图2说明设备102的电气特性的模型。此外，图2更详细描绘应用在图IA和IB 的设备中的测量电路144。出于分别测量电容Cp C2, C3和C4的目的，测量电路202包括配置有负反馈回路206的运算放大器204，该反馈回路配置有具有测量电容Cmeas的测量电容器208。运算放大器的正输入端V+接地。由于负反馈回路206的原因，运算放大器204的负输入端1处于虚地，即V_=V+成立。后者意味着V_=0[V]。尽管电流将流过寄生电容CP1、 Cp2、Cp3、Cp4，电容C1、C2、C3和C4两端的电压分别等于V1、V2、V3和V4。流过C1、C2、C3和C4的电流将不流过Cp5，这是因为此电容连接到运算放大器的负输入端v_，该负输入端处于虚地。 因此表征信号210的电压V_s从下述方程得出，其中该信号210代表主电润湿电极118和辅助电润湿电极120、122、124和1 之间的电容
J饭U腿=Σι"4^ = iI +“ + +‘ = J^CJfI + j^C-2^2 ++XK[1]，
其中ω对应于拉普拉斯变量的虚部且j表示虚数单位。再者，Vmeas为采用本身已知的电压计在电容C_s两端测量的电压。测量电路202还包括多路复用器212，在此具体实例中该多路复用器采用频域多路复用。可替换地，可以利用时域多路复用。运算放大器204与多路复用器212的输入端 211协作。多路复用器212将代表电容C1X2X3和C4的信号210复制为多个信号214、216、 218和220，所述多个信号分别代表所述电容。复制的数目对应于辅助电润湿电极的数目。 在复制后，利用分别具有频率f\、f2、f3和f4的解调信号来解调信号214、216、218和220。 解调信号的频率等于辅助电润湿电极120、122、124和126 (见图1B)由电压源134驱动的频率。解调信号可以是正弦的。可替换地，解调信号可以由方波或者任何其它合适波形来体现。频率f\、f2、f3和f4为使得在解调之后，信号214、216、218和220的仅仅一个频率分量(见图2)被解调为DCJP 0 [Hz]，而经解调的信号222、2对、2沈和228中存在的可能的其它频率分量充分远离0 [Hz]，例如至少为100 [Hz]。在工作期间，经解调的信号222、224、2 和2 分别经过低通滤波器230、232、234 和236被滤波，所述滤波器具有这样的截至频率使得经解调的信号的DC分量不受影响而更高频的成份被有效地衰减。经低通滤波的信号238、M0、242和244按照下述关系由电压
Vmeas, ！、Vffleas, 2、Vffleas, 3和v_s, 4表征，所述电压分别与电容C1、C2、C3和C4有关
其中倉E 1,2,3,4}。因此,主电润湿电极118和辅助电润湿电极120、122、124和 1 之间的每个电容Ck可以依照下述关系确定
权利要求
1.一种用于测量流体弯月面(132，328)的几何形状的设备(102，302)，包括-流体腔体(104，304)，包括第一流体(128，324)和第二流体(130，326)，所述第一流体是导电的，所述第二流体是电绝缘的，以及所述第一和第二流体是相互不混溶的且在流体弯月面(132，3 )上相互接触，-主电润湿电极(118，318)和辅助电润湿电极(120，122，IM，1 )，用于控制流体弯月面的几何形状，所述主电润湿电极位于主平面(319)内，所述辅助电润湿电极部分地围绕所述流体腔体且位于相应辅助平面(121，123，125，127)内，-电压源(134，33)，用于提供所述主电润湿电极和多个辅助电润湿电极之间的电压，-测量电路(144，342)，用于分别测量主电润湿电极和至少两个相应辅助电润湿电极 (320，322)之间的电容，所述测量电路包括用于解调指示所述相应电容的信号(210，412)的多路复用器(212，414)。
2.根据权利要求1的设备，其中所述测量电路布置成用于测量所述主电润湿电极和每个所述辅助电润湿电极(120，122，124，12)之间的电容。
3.根据权利要求1的设备，包括电压控制电路(1M，350)，用于基于所述测量电路提供的控制信号(156，343)控制在所述主电润湿电极和每个所述辅助电润湿电极之间提供的电压。
4.根据权利要求1的设备，其中所述测量电路包括运算放大器(204)，用于测量所述主电润湿电极和至少两个所述相应辅助电润湿电极之间的电容，其中所述运算放大器配置有负反馈回路(206)，所述负反馈回路配置有具有预定测量电容的测量电容器(208)，其中所述运算放大器布置成用于与所述多路复用器的输入端(211)协作。
5.根据权利要求1的设备，其中所述测量电路包括开关电路(404)，用于测量所述主电润湿电极和至少两个所述相应辅助电润湿电极之间的电容，其中所述开关电路包括具有预定第一测量电容的第一测量电容器(406)和具有预定第二测量电容的第二测量电容器 (408)，其中第一和第二测量电容互不相同，所述开关电路还包括用于以交替方式驱动第一和第二测量电容器的电容开关(410)，其中所述开关电路布置成用于与所述多路复用器的输入端(413)协作。
6.根据权利要求1的设备，其中所述多路复用器为时域多路复用器(414)，其中所述时域多路复用器采用解调信号，每个解调信号为具有低值和高值的方波信号，其中所述电压源包括电压开关(331，333，407，409)，用于交替地断开与相应解调值的高值对应的电压。
7.根据权利要求1的设备，其中所述多路复用器为频域多路复用器(212)，其中所述电压源布置成用于以特定频率提供电压以及其中所述频域多路复用器采用解调信号，每个解调信号具有与相应的特定频率对应的频率分量。
8.根据权利要求1的设备，其中所述第一流体具有第一折射率且所述第二流体具有第二折射率，其中第一和第二折射率互不相同。
9.根据权利要求1的设备，其中所述第一流体提供第一声速且所述第二流体提供第二声速，其中第一和第二声速互不相同。
10.一种导管(140)，包括根据权利要求1的设备。
11.根据权利要求1的设备在用于超声应用的导管中的用途。
12.根据权利要求1的设备在光学存储驱动器中的用途。
13.根据权利要求1的设备在光学照相机中的用途。
14.一种用于测量流体腔体(104，304)中包括的导电的第一流体(1 ，324)和电绝缘的第二流体(130，326)之间的流体弯月面(132，328)的几何形状的方法，所述流体是相互不混溶的，该方法包括下述步骤(502，504)-提供主电润湿电极(118，318 )和辅助电润湿电极(120，122，1M，1洸)之间的电压， 所述主电润湿电极位于主平面(119，319)内，所述辅助电润湿电极部分地围绕所述流体腔体且位于辅助平面(121，123，125，127)内，以及-通过包括多路复用器(212，414)的测量电路(144，342)，分别测量所述主电润湿电极和至少两个所述辅助电润湿电极(320，322)之间的电容。
15.根据权利要求14的方法，包括步骤(506)基于由所述测量电路提供的信号，控制被提供给所述辅助电润湿电极的电压。
全文摘要
本发明涉及一种布置成用于测量流体弯月面(132)的几何形状的设备(102)。该设备包括流体腔体(104)，其存储第一导电流体(128)和第二电绝缘的流体(324)。所述流体是相互不混溶的且在它们之间限定流体弯月面(132)。再者，提供主电润湿电极(118)和辅助电润湿电极(120，122，124，126)以用于控制流体弯月面的几何形状。为此，包括了用于提供所述主电润湿电极和辅助电润湿电极之间的电压的电压源(134)，以及用于分别测量所述主电润湿电极和至少两个所述辅助电润湿电极之间电容的测量电路(144)。为此目的，测量电路包括用于解调指示所述电容的信号的多路复用器。本发明还涉及一种用于测量流体弯月面的方法。
文档编号G01B7/00GK102203546SQ200980143548
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月27日 优先权日2008年11月3日
发明者M. 德博尔 B., J. 德胡格 T., P. H. G. 延森 T. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司
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