CN107543864A - 航天器泄漏定位用声阵列传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的声阵列传感器包括一级背衬、二级背衬、压电陶瓷片、柔性PCB板、匹配层、外壳和插针，一级背衬与压电陶瓷片正极之间通过粘合方式设置柔性PCB板，压电陶瓷片负极设置匹配层，一级背衬上方设置二级背衬，柔性PCB板的两端从一级背衬与压电陶瓷片的正极之间延伸而出，两侧的延伸部分分别设置有一定阵列的插针孔，用于对应焊接插针，柔性PCB板两端向一级背衬侧弯折，使得两侧插针构成N/2×N/2阵列。本发明外部使用金属罩做电磁屏蔽，降低电磁干扰，各阵元正极通过焊接柔性PCB板与插针连接，将各阵元信号引出，保证各信号通道导线长度一致，电阻抗一致。

Description

航天器泄漏定位用声阵列传感器
技术领域
本发明属于航天器泄漏检测技术领域，具体而言，本发明涉及一种航天器泄漏定位用声发射阵列传感器，
背景技术
随着人类航天活动的日益频繁，空间碎片的数量急剧增加，在轨运行的航天器受到空间碎片撞击而发生泄漏的概率显著增大。而航天器的正常运行、航天员的生活、工作以及生命安全都需要航天器提供一个稳定的大气环境，这就对各密封舱段提出了高可靠的密封要求。
当泄漏发生时，泄漏气体与孔壁摩擦会产生丰富的声信号，利用声传感器分析信号特征，可以对泄漏进行定位。
NASA与美国思创公司利用一种空气耦合的超声传感器进行泄漏定位，但这种传感器带宽只有38KHz-42KHz,况且由于空气耦合，这种传感器的灵敏度不高。
美国Maine大学发明一种柔性声阵列传感器进行泄漏定位，这种传感器利用MEMS技术集成在一块柔性材料上，可以方便安装在舱体表面，其结构参见附图1，但是这种传感器为线阵列，无法进行360度泄漏定位。另外这种传感器裸露在空气中，容易受到环境因素的影响。
北京卫星环境工程研究所使用8个PAC-NANO30传感器组合成一个L型阵列进行泄漏定位，其结构见图2，这种传感器带宽很宽，为100KHz-400KHz，灵敏度也很高，但是单个传感器尺寸较大(8mm),各个传感器性能有差异，严重影响了泄漏定位精度，无法满足航天器泄漏定位的需要。
发明内容
本发明提出一种航天器泄漏定位用声阵列传感器，包含8行8列共64个阵元，该阵列传感器利用同个块PZT切割而成，通过在航天器舱体内壁粘贴该阵列传感器，可以实现载人航天器在轨泄漏检测与漏孔定位，也可适用环模设备等真空容器等泄漏检测与漏孔定位，各阵元性能几乎完成一致，极大的提高了泄漏定位的精度。
本发明的声阵列传感器包括一级背衬、二级背衬、压电陶瓷片、柔性PCB板、匹配层、外壳和插针，一级背衬与压电陶瓷片正极之间通过粘合方式设置柔性PCB板，压电陶瓷片负极设置匹配层，一级背衬上方设置二级背衬，柔性PCB板的两端从一级背衬与压电陶瓷片的正极之间延伸而出，两侧的延伸部分分别设置有一定阵列的插针孔，用于对应焊接插针，柔性PCB板两端向一级背衬侧弯折，使得两侧插针构成N/2×N/2阵列，将上述结构放置于外壳中，使其居中，并使压电陶瓷片负极与外壳相连，将二级背衬缓慢灌装至外壳中，使外壳高于二级背衬2mm左右，插针外露于二级背衬5mm左右；其中，将压电陶瓷片均匀切割为N×N阵元，切割是从压电陶瓷片正极开始，切至距离负极1-2mm处，保证负极一体连通，其中，N大于等于4，且N为偶数。
其中，阵元中心间距2.54mm,单个阵元面积2mm×2mm。
其中，一级背衬为高分子材料，例如聚氨酯泡沫塑料，一级背衬的面积要等于或略小于PZT压电材料层的面积。
其中，外壳为铝壳。
进一步地，二级背衬使用环氧树脂、橡胶粉、钨粉混合3-4:1：1配比的胶状物，灌装后凝固。
进一步地，N×N阵元中最外圈的阵元空置未使用。
进一步地，外壳开口部分粘合设置耐磨层。
本发明的优点在于：
1、本发明利用同一块压电陶瓷片(PZT-5)切割成N*N阵元阵列传感器，各阵元性能一致性高。
2、本发明的N*N阵列传感器最外周设置一圈哑元，保证内部阵元各边界调节一致，进而保证内部各阵元性能一致。
3、本发明外部使用金属罩做电磁屏蔽，降低电磁干扰。
4、本发明使用两级背衬，一级背衬使用高分子材料(例如聚氨酯泡沫塑料)，面积要等于或略小于PZT压电材料层的面积，一级背衬与PZT材料之间设置柔性PCB板，二级背衬使用环氧树脂、橡胶粉、钨粉混合3-4:1：1配比，胶状物，灌装后凝固，大大提高各阵元有效带宽，为10kHz-500kHz。
5、本发明各阵元正极通过焊接柔性PCB板与插针连接，将各阵元信号引出，保证各信号通道导线长度一致，电阻抗一致。
附图说明
图1为现有技术中的线阵列传感器的结构示意图；
图2为现有技术中的L型传感器的结构示意图；
图3为本发明一实施方式的阵列传感器的结构示意图；
其中，1、匹配层，2、压电陶瓷片，3、外壳，4、柔性PCB板，5、一级背衬，6、二级背衬，7、插针；
图4为本发明一实施方式的阵列式压电陶瓷片的结构示意图；
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参见图3，本发明的声阵列传感器包括一级背衬5、二级背衬6、压电陶瓷片2、柔性PCB板4、匹配层1、外壳3和插针7，一级背衬5与压电陶瓷片2正极之间通过粘合方式设置柔性PCB板4，压电陶瓷片2负极设置匹配层1，一级背衬5上方设置二级背衬6，柔性PCB板4的两端从一级背衬5与压电陶瓷片2的正极之间延伸而出，两侧的延伸部分分别设置有一定阵列的插针孔，用于对应焊接插针7，柔性PCB板4两端向一级背衬5侧弯折，使得两侧插针7构成4×4阵列，将上述结构放置于外壳3中，使其居中，并使压电陶瓷片2负极与外壳3相连，将二级背衬6缓慢灌装至外壳中，使外壳高于二级背衬2mm左右，插针外露于二级背衬5mm左右；
参见图4，压电陶瓷片是传感器中的核心功能元件，本发明采用PZT-5型压电陶瓷片，具有机电转换效率高、易加工、成本低等优点。将压电陶瓷片均匀切割为N×N阵元，切割是从压电陶瓷片正极开始，切至距离负极1-2mm处，保证负极一体连通，其中，N大于等于4，且N为偶数。其中最外圈阵元与内部阵元边界条件不一致，因此不做使用。
背衬的作用是避免背向反射、吸声，减少了晶片的余震，调节传感器有效带宽等作用。本发明使用两级背衬，一级背衬使用聚氨酯泡沫塑料，二级背衬使用环氧树脂、橡胶粉、钨粉混合(3-4):1：1配比，具有低阻抗、高衰减特性，低阻抗是使得背衬与陶瓷阻抗匹配，高衰减是尽量降低后反射，保证高灵敏度，同时扩大带宽，为10kHz-500kHz。。
匹配层是为了减小传感器与被测物体将声阻抗不同带来的能力衰减，应力波从声阻抗为Zl的设备金属壳体向声阻抗为Zc的压电晶片传播时，为了使声波有效地通过声匹配层传播于压电晶片和设备的金属壳体(材料为：铸铁或钢)之间，声匹配层的声阻抗Zm的取值必须在Zc和Zl之间，本发明采用高分子复合材料作为匹配层，其声阻抗约为：Zm＝(Zc×Zl)1/2。试验证明，这种匹配层的透声性好很好，并且可以有效防止耦合剂的腐蚀。
外壳和引线起屏蔽电磁干扰及有效引出电信号的作用。本发明使用外壳为铝壳。引线采用柔性PCB板和插针结合的方式，在柔性PCB板上做64个焊点，将柔性PCB板粘贴在压电陶瓷和背衬之间，使其与每个阵元导通。柔性PCB板的两端分别与32个插针相连，插针固定在外壳上，封装成最终的阵列传感器。
本发明的一种航天器泄漏定位用声阵列传感器，具体制作步骤如下
1)按设计要求加工外壳和柔性PCB板；
2)对压电陶瓷片进行高温(100～200℃)老化5天；
3)按照要求的间距尺寸对压电陶瓷片进行切割，切成N*N阵元；切割完成后，用细去污粉擦洗元件，用清水冲净、擦干，再高温烘1小时后自然降温，之后元件不要再用手触摸，以免再次被油污而影响粘结强度；
4)测试阵列陶瓷片阵列陶瓷片性能，挑选各阵元性能一致性好的阵列陶瓷片备用；
5)对匹配层、柔性PCB板、外壳等部件进行处理：去毛刺、检验配合尺寸等；用酒精或丙酮对各部件去油污、清洗；
6)按顺序分别进行：粘接阵列陶瓷片负极与匹配层；焊接阵列陶瓷片正极与柔性PCB板；粘接一级背衬下部与柔性PCB板；焊接插针与柔性PCB板，将柔性PCB板两侧向一级背衬上部弯折；包屏蔽网；
7)将6)所制作部分放置于外壳中，检查位置是否居中，检查PZT元件安装是否与外壳底面平整，并用导电胶使压电陶瓷片负极与外壳相连，不附合要求要校正；
8)上述检查合格后，将二级背衬缓慢灌装至外壳中，使外壳高于二级背衬2mm左右，插针外露于二级背衬5mm左右；
9)最后测量阵列传感器各项性能指标，给出其频响曲线。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.声阵列传感器，包括背衬、压电陶瓷片、柔性PCB板、匹配层和外壳，一级背衬与压电陶瓷片之间通过粘合方式设置柔性PCB板，压电陶瓷片底部设置匹配层，一级背衬上方设置二级背衬，柔性PCB板的两端从一级背衬与压电陶瓷片的正极之间延伸而出，两侧的延伸部分分别设置有一定阵列的插针孔，用于对应焊接插针，柔性PCB板两端向一级背衬侧弯折，使得两侧插针构成N/2×N/2阵列，将上述结构放置于外壳中，使其居中，并使压电陶瓷片负极与外壳相连，将二级背衬缓慢灌装至外壳中，使外壳高于二级背衬2mm左右，插针外露于二级背衬5mm左右，其中，将压电陶瓷片均匀切割为N×N阵元，切割是从压电陶瓷片正极开始，切至距离负极1-2mm处，保证负极一体连通，其中，N大于等于4，且N为偶数。
2.如权利要求1所述的声阵列传感器，其中，阵元中心间距2.54mm,单个阵元面积2mm×2mm。
3.如权利要求1所述的声阵列传感器，其中，一级背衬为高分子材料，一层背衬的面积要等于或略小于PZT压电材料层的面积。
4.如权利要求3所述的声阵列传感器，其中，所述高分子材料为聚氨酯泡沫塑料；所述外壳为铝壳。
5.如权利要求1-3任一项所述的声阵列传感器，其中，二级背衬使用环氧树脂、橡胶粉、钨粉混合(3-4):1：1配比的胶状物，灌装后凝固。
6.如权利要求1-3任一项所述的声阵列传感器，其中，N×N阵元中最外圈的阵元空置未使用。
7.如权利要求1-3任一项所述的声阵列传感器，其中，外壳开口部分粘合设置匹配层。
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