CN110579269A - 一种用于稀薄大气空间的次声波传感器及声探测载荷舱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及差压型硅微压阻传感技术领域，具体涉及一种用于稀薄大气空间的次声波传感器，包括：恒温壳体及设置在壳体内的总通气管、第一通气管、第二通气管、次声波差压检测器、若干谐振腔和通气管路控制模块；所述次声波差压检测器包括：空腔体、第一平衡腔通气管、MEMS敏感膜和第二平衡腔通气管；空腔体内设置MEMS敏感膜，将空腔体分为第一平衡腔和第二平衡腔，用于根据感知的第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间的压力差，并将该压力差转换为电信号向外输出；第一平衡腔上设有第一通气管，其与第一声容腔连通；第二平衡腔上设有第二通气管，其通过总通气管与外界大气压连通；若干谐振腔之间通过若干电控阀进行级联。
Description
技术领域
本发明属于差压型硅微压阻传感、临近空间测量次声波技术领域，特别涉及一种用于稀薄大气空间的次声波传感器及声探测载荷舱。
背景技术
近年以来，随着学者们的深入研究以及科学技术的不断发展，人们对于次声波有了逐渐深入的认识和理解，并随着计算机技术、电子技术和网络技术的日益成熟，次声波的应用越来越广泛，目前主要应用在定位救援、次声武器、自然灾害预测预警和次声医疗等领域。随着次声波的广泛应用，用于检测次声波的次声波传感器就显得越来越重要。
目前，次声波传感器分为绝压型和差压型，例如法国cea开发的MB2000和MB2005为绝压型次声波传感器，中科院声学所开发的isa2016型传感器以及其他类型传感器例如光纤式次声传感器则为差压型电容传感器。美国近年来应用在高空气球试验上的次声波传感器，与本传感器的应用场景相似，但原理是不同的。美国在高空气球上的次声波传感器，是直接用现成的地面传感器上天进行测量的。但是，现有的次声波传感器存在信号相应灵敏度和抗干扰能力较差，无法克服和适应多变的稀薄大气空间低压低温条件下，对次声波传感器频响特性的影响和干扰。
美国近年来应用在高空气球试验上的次声波传感器，美国在高空气球上的传感器，是直接用已有的地面传感器上天进行测量的。而临近空间/高空条件下，跟地面大气环境有着很大的不同，直接使用适应于地面环境的普通次声波传感器，会导致原有的频响曲线出现较大偏移，从而直接影响测量数据的准确性。
在大气层高空环境下，从地面每上升1000m，气温将下降6摄氏度，在10km左右对流层顶部气温可以下降至零下50度，即使在更高的20km平流层也在零下30-40度；另外，随海拔高度的增加，大气压力和密度也在不断下降，在高度5km时，大气压力是海平面大气压力的一半，但在高度10km时，大气压力变为海平面大气压力的四分之一。还有大气的密度随着高度的升高也在降低，从海平面的1.225kg立方米，降低到10km高度的0.413kg立方米，再降低到20km高度的0.089kg立方米。
因此，对高空稀薄大气条件下进行次声波观测时，原有在地面或近地面的大气条件下声学滤波器的设计将无法满足稀薄大气情况的对大气内低频声波/次声波的检测需求，而且随着高空搭载平台停留高度的变化，现有的次声传感器无法满足检测稀薄大气情况下的对大气内的次声波。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的次声波传感器存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于稀薄大气空间的次声波传感器及声探测载荷舱，该次声波传感器是与稀薄大气压力和密度匹配的自适应声学滤波器结构和稀薄大气条件匹配的。
为了实现上述目的，本发明提出了一种用于稀薄大气空间的次声波传感器，该次声波传感器包括：恒温壳体及设置在壳体内的总通气管、第一通气管、第二通气管、次声波差压检测器、若干谐振腔和通气管路控制模块；所述次声波差压检测器包括：空腔体、第一平衡腔通气管、MEMS敏感膜和第二平衡腔通气管；
空腔体内设置MEMS敏感膜，将空腔体分为第一平衡腔和第二平衡腔，用于根据感知的第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间的压力差，并将该压力差转换为电信号向外输出；第一平衡腔上设有第一通气管，第一通气管与第一声容腔连通；第二平衡腔上设有第二通气管，第二通气管通过总通气管与外界大气压连通；若干谐振腔之间通过若干电控阀进行级联；
所述通气管路控制模块，用于控制总通气管、电控阀、第一通气管、第二通气管的通断；还用于通过控制电控阀的通断，基于外界大气的大气压力，获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，调整级联的谐振腔的数量，获得最优的谐振腔的组合数量。
作为上述技术方案的改进之一，所述谐振腔包括：声容腔、导气管和第一声阻管；声容腔是一个封闭式硬金属隔热腔体，该腔体外壁设有两个相对放置的对外出口，且分别设有导气管和第一声阻管，谐振腔内的导气管与第一通气管连接，用于与声容腔连通；所述谐振腔的第一声阻管与相邻的谐振腔的第一声阻管之间通过电磁三通阀实现级联。
作为上述技术方案的改进之一，所述MEMS敏感膜为差压式压阻型气压传感器，用于感知并输出第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，通过比较二者的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间是否产生压力差；
如果第一平衡腔的气压与第二平衡腔的气压相同，则第一平衡腔与第二平衡腔之间无产生压力差，输出0值；
如果第一平衡腔的气压与第二平衡腔的气压不相同，则第一平衡腔与第二平衡腔之间存在压力差，输出非零值。
作为上述技术方案的改进之一，所述通过控制电控阀的通断，基于外界大气的大气压力和温度，获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，调整级联的谐振腔的数量，获得最优的谐振腔的组合数量；具体包括：
根据公式(1)，获取声容滤波参数R；
其中，r为声阻管的半径；l为声阻管的长度；η为空气动力粘度；
根据公式(2)，获取声阻滤波参数C；
其中，为空气大气压力P的平均值；V为声容腔的体积；ρ为空气密度；c为声速；γ为空气比热容比系数；
其中，根据气体状态方程，获取空气密度ρ；
PM＝ρRT
其中M为当前空气的摩尔质量，T为外界大气的绝对温度；
根据声速-温度公式，获取声速c；
根据公式(3)，并结合公式(1)、公式(2)，获得谐振腔确定的截止频率f：
要保证谐振腔确定的截止频率f恒定，则需要减小声阻管的长度l和声容腔的体积V，从而获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数；
根据公式(3)和获得的最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，结合外界大气的大气压力，控制器通过控制电磁阀的通断，不断减少级联谐振腔组合数量，从而获得最优的联谐振腔组合数量。
本发明还提供了一种声探测载荷舱，其包括：螺旋管盘、次声传感器、蓄电池层、控制通讯模块、高增益对地通信天线、减摇舵面作动器和太阳能面板减摇舵；
次声传感器中的总通气管插入保温材料壳体的顶部，且总通气管的一端凸出在保温材料壳体的顶部外，其另一端插入并连通至位于保温材料壳体的内部的次声波传感器；总通气管的另一端上安装螺旋管盘，且螺旋管盘位于次声波传感器之上；两个减摇舵面作动器分别对应安装在保温材料壳体的内壁上，且位于次声传感器与螺旋管盘之间，每个减摇舵面作动器上分别对应的安装太阳能面板减摇舵；
次声波传感器之下依次顺序设置蓄电池层、控制通讯模块；高增益对地通信天线固定在保温材料壳体的底部，且位于控制通讯模块之下；
所述次声波传感器为上述用于稀薄大气空间的次声波传感器。
作为上述技术方案的改进之一，所述设置有高增益对地通信天线部分的保温材料壳体为采用由透波材料制成的壳体。
作为上述技术方案的改进之一，所述凸出在保温材料壳体的顶部外的总通气管的一端上安装进气隔离罩，用于有效减弱高空风对进气口的冲击效应和风噪声。
作为上述技术方案的改进之一，所述螺纹管盘是将长硅胶管盘绕起来，用于延长进气距离，从而降低外界低温对载荷舱内部恒温状况的影响。
作为上述技术方案的改进之一，所述高增益对地通信天线，用于将探测到的次声波传感器发出的次声波信号数据发送到地面接收站。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
随着外界空气压力和密度等参数变化，所导致的次声波传感器的频响特性的变化，可以通过本发明的连续级联的谐振腔进行有效的补偿：使得该传感器的在大气中各种高度时频响特性能够跟标准大气环境下特性相同。
附图说明
图1是本发明的一种用于稀薄大气空间的次声波传感器的结构示意图；
图2是本发明的一种声探测载荷舱的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提出了一种用于稀薄大气空间的次声波传感器，该次声波传感器包括：恒温壳体及设置在壳体内的总通气管、第一通气管、第二通气管、次声波差压检测器、若干谐振腔和通气管路控制模块；所述次声波差压检测器包括：空腔体、第一平衡腔通气管、MEMS敏感膜和第二平衡腔通气管；
空腔体内设置MEMS敏感膜，将空腔体分为第一平衡腔和第二平衡腔，用于根据感知的第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间的压力差，并将该压力差转换为电信号向外输出；第一平衡腔上设有第一通气管，第一通气管与第一声容腔连通；第二平衡腔上设有第二通气管，第二通气管通过总通气管与外界大气压连通；若干谐振腔之间通过若干电控阀进行级联；
所述通气管路控制模块，用于控制总通气管、电控阀、第一通气管、第二通气管的通断；还用于通过控制电控阀的通断，基于外界大气参数，获得最优的谐振腔的声容声阻滤波参数，调整级联的谐振腔的数量，获得最优的谐振腔的组合数量。其中，所述电控阀优选为电磁三通阀。
所述谐振腔包括：声容腔、导气管和第一声阻管；声容腔是一个封闭式硬金属隔热腔体，该腔体外壁设有两个相对放置的对外出口，且分别设有导气管和第一声阻管，谐振腔内的导气管与第一通气管连接，用于与声容腔连通；所述谐振腔的第一声阻管与相邻的谐振腔的第一声阻管之间通过电磁三通阀实现级联；其中，所述导气管是直接与腔体外部的第一通气管相连通的管道；第一声阻管则是具有声阻抗设计的与腔体外部的总通气管、第一通气管或第二通气管相连通的管道。
所述MEMS敏感膜为差压式压阻型气压传感器，用于感知并输出第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，通过比较二者的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间是否产生压力差；
如果第一平衡腔的气压与第二平衡腔的气压相同，则第一平衡腔与第二平衡腔之间无产生压力差，输出0值；
如果第一平衡腔的气压与第二平衡腔的气压不相同，则第一平衡腔与第二平衡腔之间存在压力差，输出非零值。
其中，该差压式压阻型气压传感器采用MEMS技术制成，其内部的压阻硅微膜作为惠斯通电桥的一臂，对压力的敏感性引起的电阻变化，从而引起电桥的失稳而输出随压力变化的电压值。该器件检测压力范围100Pa，符合日常各种自然事件的次声波信号幅度。
所述通过控制电控阀的通断，基于外界大气的大气压力和温度，获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，调整级联的谐振腔的数量，获得最优的谐振腔的组合数量；具体包括：
单个谐振腔可以类比为一个声阻声容滤波器，其包括：声容滤波参数R，即声阻抗R；和声阻滤波参数C，即声容C；其中，声阻管提供声阻抗；声容腔提供声容。
根据公式(1)，获取声阻管提供的声阻抗；其中，决定声阻抗R的参数包括声阻管的半径r，声阻管的长度l和空气动力粘度η。其中，空气动力粘度η随温度降低而降低，空气动力粘度η随温度升高而升高：
根据公式(2)，获取声容腔提供的声容C；其中，声容腔的体积V，空气密度ρ，声速c，空气比热容比系数γ，大气压力P；其中，空气比热容比系数γ随温度和大气压力变化影响较小，大气压力随着海拔高度升高而降低。
其中，为空气大气压力P的平均值；
其中，根据气体状态方程，获取空气密度ρ；
PM＝ρRT
其中M为当前空气的摩尔质量，T为外界大气的绝对温度。
根据声速-温度公式，获取声速c；
根据公式(3)，并结合公式(1)、公式(2)，获得谐振腔确定的截止频率f，即影响谐振腔组合数量的最重要的性能指标：
其中，能够影响谐振腔的截止频率f的参数包括：空气大气压力P的平均值空气动力粘度η，声阻管的长度l和声容腔的体积V；
在本实施例中，在次声波传感器从地面到高空的过程中，经历了温度降低的过程，也是空气剪切粘度η降低的过程，大气压力的平均值不断降低的过程；
然而在公式(3)中，大气压力的平均值的降低速度远远高于空气动力粘度η的降低速度；因此，为了保证谐振腔确定的截止频率f的稳定，即谐振腔确定的截止频率f恒定，需要减小声阻管的长度l和声容腔的体积V，从而获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数；
因此，需要根据公式(3)和获得的最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，结合外界大气的大气压力，控制器通过控制电磁阀的通断，不断减少级联谐振腔组合数量，从而获得最优的联谐振腔组合数量。
同样的，当次声波传感器和声探测载荷舱在高空水平飞行过程，不同位置的大气参数也会不同，则根据上述控制原则和过程，对级联谐振腔的组合数量进行实时调节，以稳定当前的性能参数，保证正常工作。
该次声波传感器的工作原理如下：
总通气管与次声波差压检测器的第二通气管相连通，用于将外界大气压引入次声波差压检测器中的第二平衡腔内，保证总通气管内的压力与外界大气静态压力相同；次声波差压检测器的第一通气管与谐振腔的导气管直接相连通，用于将声容腔内的大气压引入第一平衡腔，保证次声波差压检测器中的第一通气管与谐振腔的导气管直接相连通；通过电磁三通阀、以及各谐振腔内的声阻管和导气管，将若干谐振腔进行级联，并相连通，各个谐振腔的声阻管与声容腔一起实现连续滤波选频效应；通过电磁三通阀的关闭或开启，实现不同数量的谐振腔的连通，产生不同的压力值。具体地，
当电磁三通阀连通一个谐振腔时，且第一声阻管和总通气管连通时，则是将谐振腔内的声容腔和第一声阻管组成的滤波结构与外界的稀薄大气连通，那么该传感器目前即由上述一个谐振腔中的声容腔/声阻管组成的滤波结构决定当前的滤波选频参数。
当电磁三通阀连通两个谐振腔时，如图1所示，且第一个谐振腔的第一声阻管和与其级联的谐振腔的导气管连通时，则是第二个谐振腔的声容腔和声阻管组成的滤波选频结构与外界大气通过总通气管连通，那么该传感器目前由于上述2个谐振腔中的声容腔和声阻管组成的滤波选频结构共同决定当前的滤波选频参数。
当电磁三通阀连通N个谐振腔时，如图1所示，且第一个谐振腔的第一声阻管和与其级联的谐振腔的导气管连通时，则是第N个谐振腔的声容腔和声阻管组成的滤波选频结构与外界大气通过总通气管连通，那么该传感器目前由于上述N个谐振腔中的声容腔和声阻管组成的滤波选频结构共同决定当前的滤波选频参数。
当从地面到高空的稀薄大气环境或临近空间的过程中，外界大气压力密度不断降低，空气不断变稀薄，为了适应外界大气参数变化对于由谐振腔内的声容腔和声阻管组成的滤波选频结构的影响，需要不断调节声容腔/声阻管结构系列的组合数量。
如图1所示，当通气管路控制模块中的温度、压力、高度、湿度各参数发生变化时，在感应到外界大气参数变化后，该模块内部的大气参数计算单元，用于生成当前最优的声容声阻滤波参数，进而得到所需的谐振腔的组合数量，再通过控制电磁三通阀的通断，实现所需的谐振腔的级联。本发明的次声波传感器主要是根据第一平衡腔和第二平衡腔的压力差，检测次声波的波形。
基于上述用于稀薄大气空间的次声波传感器，如图2所示，本发明还提供了一种声探测载荷舱，其包括：螺旋管盘、次声传感器、蓄电池层、控制通讯模块、高增益对地通信天线、两个减摇舵面作动器和两个太阳能面板减摇舵；
次声传感器中的总通气管插入保温材料壳体的顶部，且总通气管的一端凸出在保温材料壳体的顶部外，其另一端插入并连通至位于保温材料壳体的内部的次声波传感器；总通气管的另一端上安装螺旋管盘，且螺旋管盘位于次声波传感器之上；两个减摇舵面作动器分别对应安装在保温材料壳体的内壁上，且位于次声传感器与螺旋管盘之间，每个减摇舵面作动器上分别对应的安装太阳能面板减摇舵；
次声波传感器之下依次顺序设置蓄电池层、控制通讯模块；高增益对地通信天线固定在保温材料壳体的底部，且位于控制通讯模块之下；
所述次声波传感器为上述的用于稀薄大气空间的次声波传感器。
所述设置有高增益对地通信天线部分的保温材料壳体为采用由透波材料制成的壳体，可允许电磁波通过保温材料壳体。
所述凸出在保温材料壳体的顶部外的总通气管的一端上安装进气隔离罩，用于有效减弱高空风对进气口的冲击效应和风噪声。
所述螺纹管盘是将长硅胶管盘绕起来，用于延长进气距离，从而降低外界低温对载荷舱内部恒温状况的影响。
所述高增益对地通信天线，用于将探测到的次声波传感器发出的次声波信号数据发送到地面接收站。
所述蓄电池层上装有长条形多片太阳能电池板，用于发电供载荷舱使用，还用于可通过电作动机构控制太阳能电池板/舵片的偏转方向和角度，进而控制声探测载荷舱的姿态，纠正声探测载荷舱受周边大气风场等因素的影响而引起转动过速等问题。
本发明的次声波传感器用于挂载于临近空间测量平台(高空气球、无人机等)测量地球高空大气层或其他星球(例如火星)大气条件(低温、低压)下的次声波。本发明基于差压型硅微压阻传感技术,有着较好的信号相应灵敏度和抗干扰能力。并利用级联的可控顺序绝热谐振腔，有效克服和适应多变的稀薄大气空间低压低温条件下，对次声波传感器频响特性的影响和干扰。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种用于稀薄大气空间的次声波传感器，其特征在于，该次声波传感器包括：恒温壳体及设置在壳体内的总通气管、第一通气管、第二通气管、次声波差压检测器、若干谐振腔和通气管路控制模块；所述次声波差压检测器包括：空腔体、第一平衡腔通气管、MEMS敏感膜和第二平衡腔通气管；
空腔体内设置MEMS敏感膜，将空腔体分为第一平衡腔和第二平衡腔，用于根据感知的第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间的压力差，并将该压力差转换为电信号向外输出；第一平衡腔上设有第一通气管，第一通气管与第一声容腔连通；第二平衡腔上设有第二通气管，第二通气管通过总通气管与外界大气压连通；若干谐振腔之间通过若干电控阀进行级联；
所述通气管路控制模块，用于控制总通气管、电控阀、第一通气管、第二通气管的通断；还用于通过控制电控阀的通断，基于外界大气的大气压力，获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，调整级联的谐振腔的数量，获得最优的谐振腔的组合数量。
2.根据权利要求1所述的次声波传感器，其特征在于，所述谐振腔包括：声容腔、导气管和第一声阻管；声容腔是一个封闭式硬金属隔热腔体，该腔体外壁设有两个相对放置的对外出口，且分别设有导气管和第一声阻管，谐振腔内的导气管与第一通气管连接，用于与声容腔连通；所述谐振腔的第一声阻管与相邻的谐振腔的第一声阻管之间通过电磁三通阀实现级联。
3.根据权利要求1所述的次声波传感器，其特征在于，所述MEMS敏感膜为差压式压阻型气压传感器，用于感知并输出第一平衡腔和第二平衡腔的压力值，通过比较二者的压力值，检测第一平衡腔与第二平衡腔之间是否产生压力差；
如果第一平衡腔的气压与第二平衡腔的气压相同，则第一平衡腔与第二平衡腔之间无产生压力差，输出0值；
如果第一平衡腔的气压与第二平衡腔的气压不相同，则第一平衡腔与第二平衡腔之间存在压力差，输出非零值。
4.根据权利要求1所述的次声波传感器，其特征在于，所述通过控制电控阀的通断，基于外界大气的大气压力和温度，获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，调整级联的谐振腔的数量，获得最优的谐振腔的组合数量；具体包括：
根据公式(1)，获取声容滤波参数R；
其中，r为声阻管的半径；l为声阻管的长度；η为空气动力粘度；
根据公式(2)，获取声阻滤波参数C；
其中，为空气大气压力P的平均值；V为声容腔的体积；ρ为空气密度；c为声速；γ为空气比热容比系数；
其中，根据气体状态方程，获取空气密度ρ；
PM＝ρRT
其中M为当前空气的摩尔质量，T为外界大气的绝对温度；
根据声速-温度公式，获取声速c；
根据公式(3)，并结合公式(1)、公式(2)，获得谐振腔确定的截止频率f：
要保证谐振腔确定的截止频率f恒定，则需要减小声阻管的长度l和声容腔的体积V，从而获得最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数；
根据公式(3)和获得的最优的谐振腔的声容和声阻抗滤波参数，结合外界大气的大气压力，控制器通过控制电磁阀的通断，不断减少级联谐振腔组合数量，从而获得最优的联谐振腔组合数量。
5.一种声探测载荷舱，其特征在于，其包括：螺旋管盘、次声传感器、蓄电池层、控制通讯模块、高增益对地通信天线、减摇舵面作动器和太阳能面板减摇舵；
次声传感器中的总通气管插入保温材料壳体的顶部，且总通气管的一端凸出在保温材料壳体的顶部外，其另一端插入并连通至位于保温材料壳体的内部的次声波传感器；总通气管的另一端上安装螺旋管盘，且螺旋管盘位于次声波传感器之上；两个减摇舵面作动器分别对应安装在保温材料壳体的内壁上，且位于次声传感器与螺旋管盘之间，每个减摇舵面作动器上分别对应的安装太阳能面板减摇舵；
次声波传感器之下依次顺序设置蓄电池层、控制通讯模块；高增益对地通信天线固定在保温材料壳体的底部，且位于控制通讯模块之下；
所述次声波传感器为上述权利要求1-4中任一所述的用于稀薄大气空间的次声波传感器。
6.根据权利要求5所述的声探测载荷舱，其特征在于，所述设置有高增益对地通信天线部分的保温材料壳体为采用由透波材料制成的壳体。
7.根据权利要求5所述的声探测载荷舱，其特征在于，所述凸出在保温材料壳体的顶部外的总通气管的一端上安装进气隔离罩，用于有效减弱高空风对进气口的冲击效应和风噪声。
8.根据权利要求5所述的声探测载荷舱，其特征在于，所述螺纹管盘是将长硅胶管盘绕起来，用于延长进气距离，从而降低外界低温对载荷舱内部恒温状况的影响。
9.根据权利要求5所述的声探测载荷舱，其特征在于，所述高增益对地通信天线，用于将探测到的次声波传感器发出的次声波信号数据发送到地面接收站。
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