CN103048037A - 一维水介质质点振速测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一维水介质质点振速测量传感器，具体属于水声传感器领域。主要包括：动圈换能器、复合材料包覆层、连接电缆和柔性悬挂支架等。本发明通过采用动圈换能器作为传感元件、采用复合材料包覆层达到零浮力设计，使用柔性悬挂方式使振速传感器处于自由悬浮状态，最终实现对水介质质点振速的检测。本发明的有益效果是：(1)通过采用动圈换能器，传感器振速灵敏度的频率响应较为平坦，能在较宽的频带范围内对水介质质点振速进行测量；(2)通过采用零浮力设计和柔性悬挂方式，使传感器能自由地悬浮在水介质中，准确获得质点振速的量值；(3)结构简单，易于制作，具有规范的空间指向性，能够准确测量出对应方向上速度量值。

Description

一维水介质质点振速测量传感器

技术领域

本发明涉及一种水下振速传感器，主要用于对水下声场中质点振速的直接测量，属于水声检测领域。 

水声检测的基本参数主要包括声压、质点振速等，目前，水声声压的测量主要由各类水听器来完成，但对质点振速的测量还没有专门的传感器来完成。因此，本发明所涉及到的质点振速传感器，对检测水声基本参量有直接的作用。 

背景技术

作为测量水声声压的主要手段，水听器已被广泛地应用与水声测量的各个领域；由于缺乏专门的质点振速测量传感器，质点振速一般是由声压或者声压梯度推导而来。而测量所使用的传感器主要采用压力梯度传感器和声压水听器。 

但是声压梯度与作用力成正比，在声场中由牛顿定律可以得到压力梯度传感器的输出与质点加速度成正比： 

$-\▿p=\mathrm{\ρ}\frac{\∂v}{\∂t}$

由于压力梯度传感器的频率响应并不是平坦的，输出相位与固有的速度相位相差90°，因此必须对测量结果进行修正。 

当使用声压水听器测量质点振速时，采用的方法主要采用双水听器法。该技术给出的是声压梯度的有限差分，由于该技术依赖于两个几乎相同水听器所产生的信号之差，因此，测量所获得的信号噪声较大。如果测量所使用的二只水听器之间的灵敏度不一致，测量结果的准确性会受到较大影响。同时该种测量方法的动态范围也十分有限。 

因此，针对质点振速测量的实际需求，需要研制专门的传感器，其输出信号与质点振速直接相关，从而可实现对质点振速的直接测量；同时该传感器在一定的频带范围应具有平坦的灵敏度响应，以保证能较为理想地接收和还原测量信号；传感器的尺寸应该足够小，以减少对声场的干扰；同时，传感器应该具有良好的抗电磁干扰能力。 

发明内容

本发明的目的是克服压力梯度传感器或双水听器法测量质点振速时的缺点，研制出能直接测量质点振速物理量的传感器。 

本发明所涉及的振速传感器在结构上主要由动圈换能器、复合材料包覆层和连接电缆构成。为了实现对水介质质点振速的准确检测，振速传感器采用零浮力设计并使用悬挂支架进 行柔性悬挂，以使振速传感器在水介质中处于自由和悬浮状态，随介质做同幅同相振动。 

该发明利用了处在零浮力壳体中的动圈换能器能提供与水介质质点速度成正比的输出信号的原理。振速传感器的结构图如图2所示。传感器的外壳为刚性材料，当自由悬浮在水介质中，将随周围介质做同幅同相振动。动圈换能器被密封在壳体中，可以近似为由标准质量块(mp)、弹簧(K)和阻尼(R)组成的质量弹簧系统。当作用在刚性壳体上的声波频率高于质量弹簧系统的谐振时，标准质量块(mp)将处于静止状态，而动圈换能器的传感结构将随刚性壳体运动，动圈换能器将产生一个与周围水介质质点振速成正比的输出电压。 

研制质点振速传感器的另一项关键技术是需要使整个振速传感器处于零浮力状态。为此，需要在获得传感器各部件的重量和体积的条件下，确定传感器最终的体积和总质量。本发明所涉及的动圈换能器及附件为标准设备，为了能使振速传感器达到零浮力状态，壳体采用复合泡沫塑料制作完成，具体材料为环氧树脂和玻璃微珠的混合填充料，通过调节二种混合填充料的配比，来控制生成的固化泡沫的密度，从而起到调节传感器浮力的作用。 

为了使振速传感器在水中处于自由状态，需要通过柔性悬挂方式来对其进行固定。本发明的悬挂支架由三个支撑部分组成，包括内部椭圆形支撑条、中间圆形支撑环以及外部支撑连接杆。三个支撑部分之间采用柔性链接，内部椭圆形支撑条的一侧固定到振速水听器上，另一侧柔性固定到中间圆形支撑条上，连接杆的一端链接到中间圆形支撑条上，另一端固定到安装平台上。以上措施充分保障了振速传感器在水中处于悬浮状态，从而保证了振速测量的正确性。 

附图说明

图1一维水介质质点振速传感器示意图 

图2振速传感器内部结构示意图 

具体实施方式

下面结合附图1说明本发明的具体实施方式。 

如图1所示，本发明，一种一维水介质质点振速传感器，主要包括：动圈换能器(1)，复合泡沫包裹层(2)，输出电缆(3)和柔性悬挂机构(4)。 

本发明使用的动圈换能器(1)的基频为10Hz，Q值为0.7，长度为2.54cm，直径为2.22cm，体积9.85cm³，总质量43.6g(标准质量块为8.1g)。在基频之上标准质量块是静止的，在磁场中运动的传感器线圈的输出电压与其运动速度成正比，电压输出直接与在传感器中心轴方向上的容器速度成正比，因此可用来制作工作频率高于10Hz的振速传感器。 

该动圈传感器(1)浇铸在复合泡沫包裹层(2)中来达到零浮力状况。选择环氧树脂与玻璃微珠进行复合泡沫包裹层的制作，二种材料之间的体积比在1∶4到1∶5之间，最终生成的固化泡沫的密度约为0.5g/cm³；杨氏模量为3.3±0.1GPa剪切模量为1.24±0.03GPa；泊松比为0.32±0.04。在环氧树脂与玻璃微珠配置完成后，在固化之前，需要使用浇铸模具，并使用螺旋压力机灌注复合泡沫塑料、以使材料在固化后能按设计的外形包覆动圈传感器，生成有一定强度的、足以支撑动圈传感器的包覆层。 

在使用复合泡沫塑料灌注动圈传感器(1)之前，需要焊接输出电缆(3)。输出电缆(3)必须具有足够的柔软性，并在复合泡沫包裹层(2)中留有足够的长度余量，以减小外界振动直接耦合到传感器，从而对振速测量产生干扰。 

在复合泡沫包裹层(2)固化之后，要对振速传感器的零浮力状态进行检查，可将传感器放置在水介质中，当达到零浮力时，整个传感器应可处于悬浮状态。否则，需要通过修减或补充灌注复合泡沫包裹层(2)的方法直到获得零浮力状态。 

对于大多数振速测量，要求采用悬挂机构来固定传感器，以使其能处于指定的测量位置。而为了能获得准确的测量结果，振速水听器又必须处于自由状态。本发明通过采用柔性悬挂机构(4)来解决上述问题。本发明的柔性悬挂机构(4)由三个支撑部分组成，包括内部椭圆形支撑条(5)、中间圆形支撑环(6)以及外部支撑连接杆(7)。内部椭圆形支撑条采用薄苯乙烯材料制作完成，长度为35cm，宽度为6cm，厚度为0.5cm，通过采用橡胶垫片来将其固定到传感器上。中间圆形支撑环(6)采用不锈钢金属材料制作，二端分别与椭圆形支撑条(5)和外部支撑连接杆(7)连接。上述悬挂机构具有一定的结构强度，能保证将振速传感器固定到指定的测量位置，同时又能使振速传感器处于自由状态，保证测量结果的正确性。 

Claims (4)

1.一种一维水介质质点振速测量传感器，其特征在于：结构由振速传感器和柔性悬挂支架两大部分组成，振速传感器检测频率的下限为10Hz，上限可达12.5kHz。

2.如权利要求1所述的振速测量传感器，其特征在于：振速传感器包含惯性动圈传感器和复合材料包覆层两部分，外形为圆柱形，振速传感器的平均密度与水相同，可静止悬浮在水中，最小尺寸可达40mm。

3.如权利要求1所述的振速测量传感器，其特征在于：振速传感器通过柔性悬挂支架来实现水中的固定，振速传感器具有垂直方向上的一维特性，可以直接得到垂直方向上的真实质点振速。

4.如权利要求1所述的振速测量传感器，其特征在于：柔性悬挂支架包含内部椭圆形支撑条、中间圆形支撑环以及外部连接杆三个支撑部分，各支撑部分之间的链接采用柔性链接，连接杆长度可调，适用于不同尺寸的安装空间，悬挂支架具有良好的柔顺性，安装后不仅牢固可靠还可以隔绝外部构件振动对振速水听器的影响。 

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