CN111189527B - 一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器 - Google Patents

一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器 Download PDF

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Abstract

本发明属于矢量水听器技术领域，具体涉及一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器。本发明的测量的量为位移量，在低频下灵敏度较高，同时传感器直接测量量为厚度，厚度量与位移量的转换器为楔形金属膜，可看作一个放大器，进一步增大矢量水听器的低频灵敏度。本发明的敏感元件为电涡流传感器，分别测量位置相对、方向相反的两个金属膜，进行差分输出，增大了矢量水听器的灵敏度，减小了矢量水听器的噪声影响。本发明通过水平安装的传感器测量垂直方向的位移量，拓展了位移式矢量水听器的安装结构，通过优化可进一步的制成三维位移矢量水听器。

Description

一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器
技术领域
本发明属于矢量水听器技术领域，具体涉及一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器。
背景技术
在声波的作用下，介质质点围绕其平衡位置往复振动，其瞬时位置及振动位移和瞬时速度均随时间而变，因此也可用质点的振动位移或速度描述声场。矢量水听器可以获取水下声场中的矢量信息，包括水质点的位移、振速、加速度及声压梯度等信号。如今，振速、加速度及声压梯度式矢量水听器的技术已经趋于成熟，在水声的各个领域中都有着广泛的应用，然而位移式矢量水听器的研究较少，仍旧处于起步阶段。
传统的加速度式矢量水听器，随着频率的减小，其灵敏度每倍频程6dB减小，造成加速度式矢量水听器低频灵敏度较低，无法满足低频声测量要求；速度式矢量水听器，其灵敏度不随频率的变化而变化，为一个定值；而位移式矢量水听器，其灵敏度随频率的减小，每倍频程6dB增大，见文章Eddy-current non-inertial displacement sensing forunderwater infrasound measurements.(Journal of the Acoustical Society ofAmerica 2011,129(6):254-259)及(贾志富.三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计.应用声学，2001，20(4)：15-20)，因此位移式矢量水听器灵敏度在低频下灵敏度相对较高。
对金属厚度进行非接触的测量方法主要有以下几种：光学测量法、X射线法、超声波法、电涡流法。电涡流法对金属的厚度测量十分有效，具有稳定性高、对环境不敏感、高带宽、工作温度范围宽、价格便宜等优势。电涡流厚度传感器对金属薄膜的厚度测量具有很强的灵活性，并可以覆盖几十纳米到几个毫米的测量范围。
MEMS制造工艺是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称。广义上的MEMS制造工艺，方式十分丰富，几乎涉及了各种现代加工技术。其中LIGA工艺为MEMS工艺的一个类型，表示为深层光刻、电镀、模铸三种技术的结合，该工艺用材广泛，从塑料到金属到陶瓷等，都可以用LIGA技术实现三维微结构。因此该工艺可以应用在新型矢量水听器中，对矢量水听器的工艺进行突破。
发明内容
本发明的目的在于提供稳定性高，抑制噪声能力强，灵敏度高的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括安装框架和圆柱体；所述的圆柱体内部中央开设有斜棱柱形状的空腔；所述的斜棱柱空腔的顶面与底面分别与圆柱体的顶面与地面共面，且斜棱柱空腔的顶面与底面均为方形；所述的斜棱柱空腔含有四个壁面，分别为两个竖直壁面和两个倾斜壁面，在两个倾斜壁面上铺设有楔形金属膜，楔形金属膜将斜棱柱形状的空腔填充为直棱柱形状；所述的安装框架包括顶面框架、底面框架和中部柱体；所述的中部柱体上端固定在顶面框架上，下端穿过圆柱体的斜棱柱空腔后固定在底面框架上；所述的中部柱体上设有传感器安装平台；所述的传感器安装平台设置在斜棱柱空腔内部，传感器安装平台朝向楔形金属膜方向的两个侧面上安装有电涡流传感器；所述的圆柱体的顶面与底面分别通过弹性元件与顶面框架和底面框架连接。
本发明还可以包括：
所述的楔形金属膜材料为铝或铜，厚度为微米级，采用MEMS制造工艺中的LIGA工艺加工制作。
所述的圆柱体采用低密度复合材料。
所述的弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。
所述的顶面框架和底面框架均为圆环形状，且顶面框架和底面框架的半径不小于圆柱体的半径；低频矢量水听器整体关于中部柱体对称。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器测量的量为位移量，在低频下灵敏度较高，同时传感器直接测量量为厚度，厚度量与位移量的转换器为楔形金属膜，可看作一个放大器，进一步增大矢量水听器的低频灵敏度。
2、本发明的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器的敏感元件为电涡流传感器，分别测量位置相对、方向相反的两个金属膜，进行差分输出，增大了矢量水听器的灵敏度，减小了矢量水听器的噪声影响。
3、相较于传统矢量水听器，本发明的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器可直接刚性固定在平台上，因此在矢量水听器完成后，安装更为简便。
4、本发明的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器的线缆与被测柱体分离，避免了线缆对被测柱体的运动产生影响，相较于传统矢量水听器，本发明更近似于水质点的运动，同时，测量稳定性更高。
5、本发明的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器通过水平安装的传感器测量垂直方向的位移量，拓展了位移式矢量水听器的安装结构，通过优化可进一步的制成三维位移矢量水听器。
附图说明
图1为一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器的剖面图。
图2为一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器的俯视图。
图3为传感器测量厚度量与位移量的转换原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供了一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，本发明通过测量金属膜厚度的变化间接测量水质点位移变化量，传感器可在水平方向安装，测量垂直方向上的位移量，为三维位移式矢量水听器的制作打下基础；水听器为非接触测量，其输出电缆不会对圆柱体的运动产生影响，水听器为差分输出，抑制噪声能力强，低频灵敏度高，且整体可进行刚性安装。
一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，包括安装框架1和圆柱体2；所述的圆柱体内部中央开设有斜棱柱形状的空腔；所述的斜棱柱空腔的顶面与底面分别与圆柱体的顶面与地面共面，且斜棱柱空腔的顶面与底面均为方形；所述的斜棱柱空腔含有四个壁面，分别为两个竖直壁面和两个倾斜壁面，在两个倾斜壁面上铺设有楔形金属膜3，楔形金属膜将斜棱柱形状的空腔填充为直棱柱形状；所述的安装框架包括顶面框架、底面框架和中部柱体；所述的中部柱体上端固定在顶面框架上，下端穿过圆柱体的斜棱柱空腔后固定在底面框架上；所述的中部柱体上设有传感器安装平台5；所述的传感器安装平台设置在斜棱柱空腔内部，传感器安装平台朝向楔形金属膜方向的两个侧面上安装有电涡流传感器4；所述的圆柱体的顶面与底面分别通过弹性元件6与顶面框架和底面框架连接。
楔形金属膜材料为铝或铜，厚度为微米级，采用MEMS制造工艺中的LIGA工艺加工制作。圆柱体采用低密度复合材料。弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。顶面框架和底面框架均为圆环形状，且顶面框架和底面框架的半径不小于圆柱体的半径；低频矢量水听器整体关于中部柱体对称。
实施例1：
本发明的目的在于提供一种制作工艺精密、稳定性高的，抑制噪声能力强的，高灵敏度低频位移矢量水听器。
如图1和图2，一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，包括一个安装框架、中空圆柱体、两个楔形金属膜、两支电涡流传感、传感器安装平台及四个弹性元件，中空圆柱体通过弹性元件悬挂在安装框架上。中空圆柱体2内部空腔为立方体，楔形金属膜3固定在中空圆柱体2内部的两个相对平面上，且其锐角方向相反，中空圆柱体2通过4个弹性元件6悬挂在安装框架1上，两个电涡流传感器4分别安装在平台5的两侧，平台5与安装框架1的支柱中段刚性连接，电涡流传感器4的电缆7从传感器安装平台6中引出，将信号输出。安装框架1可与外部平台固定，便于矢量水听器系统的安装。
所述的中空圆柱体内部空腔为立方体，且圆柱体的材料为低密度复合材料。所述的楔形金属膜材料为铝或铜，安装在中空圆柱体内部的两个相对平面上，两个金属膜锐角方向相反；金属膜与圆柱体构成的整体为矢量水听器的拾振元件。所述的矢量水听器采用电涡流传感器为其运动敏感元件，具体来说是一个厚度传感器，对金属膜的厚度变化量进行测量。
楔形金属膜为传感器测量的厚度量与水质点位移量的转换器，同时也是灵敏度放大器，随着楔形体的角度减小，灵敏度增大。所述的四个弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。弹性元件将中空圆柱体悬挂在安装框架上。所述的电涡流传感器通过传感器安装平台与安装框架刚性连接，并对传感器及其电缆进行水密处理。所述的安装框架上留有四个悬挂钩，可与弹性元件连接。所述的中空圆柱体上留有四个悬挂钩，可与弹性元件连接。所述的电涡流传感器与传感器安装平台连接，两个电涡流传感器分别与两个金属膜相对，进行差分输出，构成单矢量通道。
本发明中，矢量水听器的敏感元件为电涡流传感器。并运用电涡流传感器的厚度测量间接对位移进行测量。电涡流传感器的厚度测量，其工作原理是利用了目标导体中的电涡流效应，合适的被测目标导体是铜和铝，通过分离线圈的电感、电阻来获得被测量。厚度测量需要目标的厚度小于集肤深度，导致经过电涡流抵消后的剩余磁场强度和目标厚度相关。通过特殊设计的电路形成了厚度与相位差之间的对应关系，在量程范围内线性度较好，当激励频率一定时，测量量程约为120μm，其分辨率百分比(占量程的百分比)一般小于0.1％。在水声测量中，水中1Pa的声音，相应于1Hz的位移仅有0.1μm。传感器量程远远满足该范围，同时，如图3所示，当矢量水听器工作时，电涡流传感器与金属膜产生相对运动，测量得到的厚度变化量为
Figure BDA0002360415500000041
金属膜的相对位移
Figure BDA0002360415500000042
当被测楔形金属的角度θ为π/3时，对应的位移分辨率为0.06μm，角度越小分辨率越高，完全满足水声测量的需求。同时如图3所示，被测的金属为楔形，其上下的位移造成被测位置的厚度变化，当位移一定时，厚度变化与其角度相关。
Figure BDA0002360415500000043
式(1)中，
Figure BDA0002360415500000046
为矢量水听器工作时，测量到的厚度变化量，
Figure BDA0002360415500000044
为垂直方向位移的变化量，当
Figure BDA0002360415500000045
一定时，θ越大
Figure BDA0002360415500000047
越大，可以将其看成一个位移放大器，进而对矢量水听器的灵敏度进行放大。
本发明中，被测的楔形金属厚度为微米级，常规的金属加工工艺无法满足要求，因此运用MEMS制造工艺对其进行加工；LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。该工艺可制作高度为数百微米至1000微米，高宽比可达到500，横向尺寸可小到0.5μm，加工精度可达到0.1μm，满足本发明中，楔形金属膜的制作要求。
本发明中，被测楔形薄膜所在的圆柱体遵循同振柱形矢量水听器的声接收理论，当圆柱体的尺寸远小于波长，同时圆柱体的平均密度与水密度近似时，柱体振动可模拟水质点振动。由于本发明中矢量水听器测量的量为水质点位移，因此圆柱体位移与水质点位移之间的关系为
Figure BDA0002360415500000051
式(2)中，X1为圆柱体的位移幅值，X0为水质点的位移幅值，ρ1为圆柱体的密度，ρ0为水的密度。
本发明的优点是：
1.矢量水听器测量的量为位移量，在低频下灵敏度较高，同时传感器直接测量量为厚度，厚度量与位移量的转换器为楔形金属膜，可看作一个放大器，进一步增大矢量水听器的低频灵敏度。
2.矢量水听器的敏感元件为电涡流传感器，分别测量位置相对、方向相反的两个金属膜，进行差分输出，增大了矢量水听器的灵敏度，减小了矢量水听器的噪声影响。
3.相较于传统矢量水听器，本发明的矢量水听器可直接刚性固定在平台上，因此在矢量水听器完成后，安装更为简便。
4.矢量水听器的线缆与被测柱体分离，避免了线缆对被测柱体的运动产生影响，相较于传统矢量水听器，本发明更近似于水质点的运动，同时，测量稳定性更高。
5.矢量水听器通过水平安装的传感器测量垂直方向的位移量，拓展了位移式矢量水听器的安装结构，通过优化可进一步的制成三维位移矢量水听器。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：包括安装框架和圆柱体；所述的圆柱体内部中央开设有斜棱柱形状的空腔；所述的斜棱柱空腔的顶面与底面分别与圆柱体的顶面与底面共面，且斜棱柱空腔的顶面与底面均为方形；所述的斜棱柱空腔含有四个壁面，分别为两个竖直壁面和两个倾斜壁面，在两个倾斜壁面上铺设有楔形金属膜，楔形金属膜将斜棱柱形状的空腔填充为直棱柱形状；所述的安装框架包括顶面框架、底面框架和中部柱体；所述的中部柱体上端固定在顶面框架上，下端穿过圆柱体的斜棱柱空腔后固定在底面框架上；所述的中部柱体上设有传感器安装平台；所述的传感器安装平台设置在斜棱柱空腔内部，传感器安装平台朝向楔形金属膜方向的两个侧面上安装有电涡流传感器；所述的圆柱体的顶面与底面分别通过弹性元件与顶面框架和底面框架连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的楔形金属膜材料为铝或铜，厚度为微米级，采用MEMS制造工艺中的LIGA工艺加工制作。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的圆柱体采用低密度复合材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。
5.根据权利要求3所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的弹性元件为拉伸弹簧或软橡胶绳。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的顶面框架和底面框架均为圆环形状，且顶面框架和底面框架的半径不小于圆柱体的半径；低频矢量水听器整体关于中部柱体对称。
7.根据权利要求3所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的顶面框架和底面框架均为圆环形状，且顶面框架和底面框架的半径不小于圆柱体的半径；低频矢量水听器整体关于中部柱体对称。
8.根据权利要求4所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的顶面框架和底面框架均为圆环形状，且顶面框架和底面框架的半径不小于圆柱体的半径；低频矢量水听器整体关于中部柱体对称。
9.根据权利要求5所述的一种基于电涡流厚度测量的低频矢量水听器，其特征在于：所述的顶面框架和底面框架均为圆环形状，且顶面框架和底面框架的半径不小于圆柱体的半径；低频矢量水听器整体关于中部柱体对称。
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