专利名称：一种基于压电陶瓷的二维矢量水听器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水声换能器和水声探测领域，具体涉及一种基于压电陶瓷的二维矢量水听器。
背景技术：
随着水下目标向安静型发展，远程弱信号的探测技术成为声纳装备发展的关键，目前常规探潜方法是利用标量水听器组成的拖曳线列阵声纳，该声纳要求基阵孔径大，即要求水平线阵很长，该声纳缺点是只能获得声场的标量信息声压，不具备左右舷分辨能力。矢量水听器是一种新型的能够同时提供水下声场的声压和质点振速信息的组合型传感器。它可以共点、同步、独立地测量声场的声压标量和质点振速矢量的各正交分量。单个矢量水听器在小尺度情况下就具有良好的与频率无关的偶极了指向性，这使得它可以工作在甚低频。与阵元数目相同的声压水听器阵列相比较，矢量水听器阵可以获得几倍数目的输出信号，能够更精确地估计阵元间的相位延迟，有效提高信噪比；另一方面，单个的矢量水听器输出本身就已蕴含了空间目标的方向信息。矢量水听器能除能获得声压信息外还可以获得加速度等矢量信息，可通过声压振速的联合信号处理实现目标方位的估计；从能量检测角度讲，矢量水听器的采用使系统抗各向同性噪声的能力获得极大提高，通过较小的基阵即可实现低频、远距离、多目标的识别，大大提高了对安静型潜艇的探测能力。国内从“八五”期间开始了矢量传感技术的研究，并取得了一定的成果，比如说双声压型矢量水听、双迭片压差式矢量水听器和同振球矢量水听器等，但都由于灵敏度低、工作带宽窄、制作工艺复杂或是成本问题而在工程应用上受到很大的制约。本实用新型对上述存在问题上做了显著的改进，具备了工程实用状态，通过某项目初样的海试，取得了探潜成功，具有很好的应用前景。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述存在的不足，解决目前在浮标探潜和海洋环境探测中需求的小型、低频、宽带、高灵敏度二维矢量水听器的问题，从而提供一种基于压电陶瓷的二维矢量水听器。本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，它包括外壳、底座、锥形橡胶密封塞、盖板、预应力螺栓、质量块，还包括一圆周四等分压电陶瓷圆管；所述圆周四等分压电陶瓷圆管是由一径向极化整体压电陶瓷圆管通过砂轮切割而成；所述的质量块和圆周四等分压电陶瓷圆管同轴排列，并由预应力螺栓固定在底座上；所述底座设置有一环形定位台阶；所述外壳顶部设置有一锥形填料函密封孔；所述外壳和底座采用过盈连接方式进行连接，形成一整体密封结构；所述的锥形橡胶密封塞位于锥形填料函密封孔内，并由盖板压锥形橡胶密封塞，进而密封电缆。作为优选，所述圆周四等分压电陶瓷圆管，一对相对应1/4压电陶瓷圆管为X通道，另一对相对应1/4压电陶瓷圆管为Y通道。作为优选，所述圆周四等分压电陶瓷圆管的1/4压电陶瓷圆管之间的间隙为0. 1至 Imm0作为优选，所述外壳、底座、盖板均由金属铝材料制造而成；预应力螺栓由不锈钢材料制造而成；质量块由黄铜材料制造而成。作为优选，所述圆周四等分压电陶瓷圆管放置于底座定位台阶上。作为优选，所述圆周四等分压电陶瓷圆管，两两相对应1/4压电陶瓷圆管内侧由导线串联，圆周四等分压电陶瓷圆管外侧的四个银层两两相对分别为X、Y通道信号输出。作为优选，所述圆周四等分压电陶瓷圆管由径向极化，并采用接收型锆钛酸铅压电陶瓷材料制作而成。本实用新型的主要优点是1、二维矢量水听器由一个压电灵敏元件，5个机加工件，一个硫化件组成；本实用新型中的压电灵敏元件是圆周四等分径向极化的压电陶瓷圆管，机加工件是一个外壳、一个底座、一个盖板、一个质量块和一个预应力螺栓，硫化件是一个橡胶密封塞；水听器的安装和调试工艺易行，所需工装模具少，每一步具有可控制性和可检查性，可以保证高产品合格率。2、利用四等分压电陶瓷圆管作为有源器件，极大的降低了生产成本，并保证了 X、Y方向上加速度信号的高度一致性；其次利用质量块的惯性带动等分陶瓷片做弯曲运动感知加速度信号，可通过改变质量块的重量控制矢量水听器的谐振和灵敏度的高低；最后将阵子密封在铝壳内，可通过调整铝壳的体积和质量达到是否零浮力的目的。3、具有结构简单、工艺可靠、灵敏度高、工作频带宽、制作成本低的优点。

图1是本实用新型中圆周四等分径向极化压电陶瓷圆管示意图；图2是本实用新型中基于压电陶瓷的二维矢量水听器矢量振子示意图；图3是本实用新型中基于压电陶瓷的二维矢量水听器完整结构示意图。附图中的标号分别为1、底座，2、外壳，3、锥形橡胶密封塞，4、盖板，5、预应力螺栓，6、质量块，7、圆周四等分压电陶瓷圆管，8、锥形填料函密封孔，9、银层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的描述。基于压电陶瓷的二维矢量水听器是以圆周四等分压电陶瓷圆管7为基本元件构成的一种用于浮标或垂直线列阵的新型二维矢量声接收单元，它的结构如图2所示。如图1所示的圆周四等分压电陶瓷圆管7是实现本实用新型的关键技术之一。采用圆周四等分的目的是为了保证X、Y两个矢量通道有源元件压电性能的高度一致性，进而实现输出信号的高度一致性。水听器的工作带宽、接收灵敏度与圆周四等分压电陶瓷圆管的内外半径(a、b)和高度h相关，与质量块6的重量m和预应力螺栓5施加的预应力大小N相关，具有成熟的设计方法，通过综合调整圆周四等分压电陶瓷圆管7的内外半径a、b、长度h和质量块6的质量m、预应力螺栓5施加的预应力N，以及外壳2体积可以设计出满足不同要求的二维矢量水听器。如图2、3所示，制造一批基于压电陶瓷的二维矢量水听器。该批水听器采用接收型锆钛酸铅压电陶瓷材料制造圆周四等分压电陶瓷圆管(如图1所示)，一般来说，本实用新型采用的圆周四等分压电陶瓷圆管7高度10至25mm，内径10至30mm，壁厚2至4mm，1/4压电陶瓷圆管之间的间隙为0. 3至0. 5mm，在本实施例中，圆周四等分压电陶瓷圆管7内径a为17mm，外径b为17mm，高度h为16mm，1/4压电陶瓷圆管之间的间隙为0. 3mm。采用金属铝制作外壳2、底座1和盖板4，使用前进行清洁处理。采用黄铜制作质量块6。采用不锈钢制作预应力螺栓5。硫化好的锥形橡胶密封塞3。实施例整体密度大于水。将准备好的元器件按以下顺序装配1、在圆周四等分压电陶瓷圆管7的相邻两片1/4压电陶瓷圆管内侧电极中间部位各焊一根长30mm的多芯细导线，然后分别与相对应的1/4压电陶瓷圆管在内侧串联；在圆管外侧四个银层9中相邻两个银层9的中间部位各焊一根红色多芯细导线，导线长150mm，在另外两个银层9中间部位各焊一根灰色多芯细导线，导线长150mm。相对应一对红、灰导线为X通道，另一对为Y通道。2、预应力螺栓5穿过质量块6和圆周四等分压电陶瓷圆管7，并固定在底座1上。通过扭力扳手施加预应力。3、在圆周四等分压电陶瓷圆管的X、Y通道的导线由一根带屏蔽多芯电缆进行转接，转接电缆穿过锥形橡胶密封塞3。4、在底座1和外壳2放入装配夹具，进行过盈连接密封。盖板4压紧锥形橡胶密封塞3。5、性能检测①用100V绝缘表测量X通道正、负极，Y通道正、负极，以及X、Y通道正、负极和外壳之间的绝缘电阻。②用电容表测量X通道和Y通道电极间的电容量。③采用国家标准“GB/T 3223-1994声学、水声换能器自由场校准方法”和“GB/T4130-2000声学、水听器低频校准方法”测试水听器工作带宽、方向性和电压接收灵敏度。按上述实施制造了一批基于压电陶瓷的二维矢量水听器，测试结果如下1、X通道正、负极，Y通道正、负极，以及X、Y通道正、负极和外壳之间的绝缘电阻≥ 100ΜΩ2、X通道和Y通道电极间的电容量均为950士50pF (不包括转接电缆)。3、工作频率范围10Hz-2. 2kHz方向性标准余弦指向性电压接收灵敏度IkHz 处 M = -183 士 1. 5dB (OdB = IV/ μ Pa)4、最大外形尺寸最大直径为102mm，高度为120mm。5、投入60套基于压电陶瓷的二维矢量水听器，制造完成后经检测合格品为60件，合格率100%。用本实用新型制造的基于压电陶瓷的二维矢量水听器装配出6套定向浮标系统和2套垂直线列阵浮标系统，在湖上、海上试验中表现出优异的性能。除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
权利要求1.一种基于压电陶瓷的二维矢量水听器，包括外壳(2)、底座(1)、锥形橡胶密封塞(3)、盖板(4)、预应力螺栓(5)、质量块(6)，其特征在于还包括一圆周四等分压电陶瓷圆管(7);所述圆周四等分压电陶瓷圆管(7)是由一径向极化整体压电陶瓷圆管通过砂轮切割而成；所述的质量块(6)和圆周四等分压电陶瓷圆管(7)同轴排列，并由预应力螺栓(5)固定在底座(1)上；所述底座(1)设置有一环形定位台阶；所述外壳(2)顶部设置有一锥形填料函密封孔(8);所述外壳(2)和底座(1)采用过盈连接方式进行连接，形成一整体密封结构；所述的锥形橡胶密封塞(3)位于锥形填料函密封孔(8)内，并由盖板(4)压紧锥形橡胶密封塞(3)，进而密封电缆。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的二维矢量水听器，其特征在于所述圆周四等分压电陶瓷圆管(7)，一对相对应1/4压电陶瓷圆管为X通道，另一对相对应1/4压电陶瓷圆管为Y通道。
3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷的二维矢量水听器，其特征在于所述圆周四等分压电陶瓷圆管(7)的1/4压电陶瓷圆管之间的间隙为0. 1至1mm。
4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的二维矢量水听器，其特征在于所述外壳(2)、底座(1)、盖板(4)均由金属铝材料制造而成；预应力螺栓(5)由不锈钢材料制造而成；质量块(6)由黄铜材料制造而成。
5.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的二维矢量水听器，其特征在于所述圆周四等分压电陶瓷圆管(7 )放置于底座(1)定位台阶上。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于压电陶瓷的二维矢量水听器，其特征在于所述圆周四等分压电陶瓷圆管(7)，两两相对应1/4压电陶瓷圆管内侧由导线串联，圆周四等分压电陶瓷圆管(7)外侧的四个银层(9)两两相对分别为X、Y通道信号输出。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于压电陶瓷的二维矢量水听器，其特征在于所述圆周四等分压电陶瓷圆管(7)由径向极化，并采用接收型锆钛酸铅压电陶瓷材料制作而成。
专利摘要本实用新型涉及一种基于压电陶瓷的二维矢量水听器，包括外壳、底座、锥形橡胶密封塞、盖板、预应力螺栓、质量块，还包括一圆周四等分压电陶瓷圆管；所述圆周四等分压电陶瓷圆管是由一径向极化整体压电陶瓷圆管通过砂轮切割而成；所述的质量块和圆周四等分压电陶瓷圆管同轴排列，并由预应力螺栓固定在底座上；所述底座设置有一环形定位台阶；所述外壳顶部设置有一锥形填料函密封孔；所述外壳和底座采用过盈连接方式进行连接，形成一整体密封结构；所述的锥形橡胶密封塞位于锥形填料函密封孔内，并由盖板压紧锥形橡胶密封塞，进而密封电缆；具有结构简单、工艺可靠、灵敏度高、工作频带宽、制作成本低的优点。
文档编号G01H11/08GK202329798SQ201120453980
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者丁立超, 姚纪元, 孙好广, 徐余 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所