CN113899443A - 一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，属于水声探测技术领域。该水听器包括传感器单元、弹性透声外罩和弹性悬挂件，传感器单元通过弹性悬挂件安装于弹性透声外罩的中心位置；传感器单元包括依次连接的矢量声传感器、信号匹配电路、放大滤波电路、输出适配电路和传感器信号线缆；信号匹配电路、放大滤波电路和输出适配电路均位于陶瓷结构内；矢量声传感器位于陶瓷结构的顶部。本发明能够实现自主选择不同的工作模式，满足不同工作场景的应用需求。

Description

一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器

技术领域

本发明涉及到水声探测技术领域，特别涉及一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器。

背景技术

水下目标的被动探测方法主要为声学感知、电场感知和磁场感知，目前应用范围最广、探测距离最远、识别效率最高的感知方法便是利用矢量水听器进行水下目标的噪声探测，矢量水听器的余弦指向性特性配合电子罗盘信息可以完成对目标方位信息的精确定位。

已经实现工程应用的水听器多为惯性矢量水听器,采用同振原理拾取水听器周围的声场信号，国内外使用较多的水听器核心部件多为基于压电原理的加速度或速度传感器，其核心感知单元的制备流程简单，但封装后的水听器尺寸较大，重量重，不能满足现在的阵列化探测和移动探测的需求，同时，设备的布放和回收难度较高，海上施工过程中存在安全隐患。

近年来，微机电领域的技术逐渐成熟，基于MEMS先进半导体工艺制备的传感器芯片具备小体积、高灵敏度、高一致性的特点，通过与水声学结合形成的同振式惯性传感器主要有压阻式、压电式和电容式。其中压阻式芯片和压电式芯片受限于制备工艺和能量转换材料的效率上限，制备完成的传感器具有灵敏度较低、热噪声较大等局限性，具备高可靠性、高灵敏度的MEMS电容式芯片在工程领域的应用范围正在逐渐扩大，但是从MEMS工艺实现、传感器封装、水听器性能测试再到系统应用的性能验证流程复杂且周期较长，适配MEMS电容式芯片的专用集成电路存在开发难度高、研制周期长，投入经费高，无法实现芯片功能的快速装备化的问题。

授权号为CN206593751U的专利中公开了“一种可刚性固定安装的同振型矢量水听器”，该装置采用压电元件作为核心感知单元，利用液体硅橡胶作为柔性材料层来隔绝平台抖动，该结构将传感器与电路进行不可拆卸包覆，在出现故障后无法进行核心感知单元与电路检修；授权号为CN103528663A的专利中公开了“具有隔振功能的MEMS矢量水听器封装结构”，该传感器处理装置采用压阻原件组成矢量水听器，使用PCB印制电路板作为水听器信号调理结构。上述公开的两专利存在如下问题：必须完成全部封装后才能测试水听器性能，无法进行便捷式拆装、故障排查以及电路更换，且外形结构不具备多平台搭载能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器。该水听器化学稳定性好，布线密度高，实现了复杂电路的高密度集成。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种小型化便捷式多形态搭载的矢量水听器，包括传感器单元、弹性透声外罩和弹性悬挂件，所述传感器单元通过弹性悬挂件安装于弹性透声外罩的中心位置；所述传感器单元包括依次连接的矢量声传感器、信号匹配电路、放大滤波电路、输出适配电路和传感器信号线缆；所述信号匹配电路、放大滤波电路和输出适配电路均位于陶瓷结构内；所述矢量声传感器位于陶瓷结构的顶部。

进一步的，所述陶瓷结构内部设有上、中、下三个腔室，分别用于固定信号匹配电路、放大滤波电路和输出适配电路。

进一步的，所述矢量声传感器为MEMS电容式矢量声传感器。

进一步的，所述传感器单元还包括传感器密封壳和安装底板，所述传感器密封壳位于安装底板的上方，并与安装底板构成一密闭空间；所述陶瓷结构位于密闭空间内，且固定于安装底板的中心处；所述传感器密封壳外还设有用于安装弹性悬挂件的支耳。

进一步的，所述传感器密封壳和安装底板外还设有用于封装的外部封装结构，所述外部封装结构上设有用于支耳穿过的支耳孔；所述外部封装结构的材料为透声聚氨酯。

进一步的，还包括上舱盖和下舱盖；所述上舱盖和下舱盖通过竖直杆固定，两者外侧设有弹性透声外罩；所述弹性透声外罩顶部和底部均通过对应的抱箍与上舱盖和下舱盖固定；所述传感器单元位于弹性透声外罩内，弹性悬挂件一端连接竖直杆，另一端连接传感器单元上的对应支耳。

进一步的，所述传感器单元倒置于上舱盖和下舱盖之间，且传感器信号线缆穿过上舱盖中心处的过线孔。

进一步的，所述上舱盖、下舱盖和弹性透声外罩顶部构成的密封腔内填充有透声灌封液体介质。

进一步的，所述上舱盖的顶部固设有水密插头；所述水密插头带有外螺纹，传感器信号线缆穿过水密插头并露出。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明的传感器单元采用可便捷拆装的模块层叠结构，每层电路板实现独立电学功能，可根据传感器的静态特性以及动态参数进行便捷适配调整，信号调理电路的功能参数可根据工作频段、感知距离等工作场景要求进行快速调整；信号调理电路基板采用共烧陶瓷工艺制备，化学稳定性好，布线密度高，实现了复杂电路的高密度集成。

2、本发明采用水密插座与上舱盖一体化结构设计，水密插座可以实现与采集传输舱段或平台的刚性安装，上舱盖设置的吊放安装孔可以实现水听器的自主采集工作模式，满足不同工作场景的应用需求。

3、本发明采用的弹性透声外罩、透声灌封液体、外部封装结构体均具备良好的声学性能，能够将外部声信号几乎无损地传输至水听器内部的感知阵元；同时多层保护结构可以对水听器感知阵元实施有效防护，提高水听器在水下的工作寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1的顶部结构示意图。

图3是图1中传感器单元的剖面示意图。

图4是图1中带有外部封装结构的传感器单元的示意图。

图5是图1的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

小型化便捷式多形态搭载的矢量水听器包括传感器单元、弹性悬挂件、竖直杆、竖直杆紧固螺钉、上舱盖、下舱盖、弹性透声外罩、上锁紧抱箍、下锁紧抱箍和传感器信号线缆。

传感器单元包含MEMS电容式矢量声传感器、陶瓷电路、转接板、安装底座、传感器密封壳、传感器密封壳锁紧螺丝；矢量声传感器、陶瓷电路、转接板三者通过锡焊方式进行连接与固定；转接板固定在安装底座中心位置，并将传感器信号线缆穿过安装底座的中心进行引出；传感器密封壳体通过锁紧螺丝完成与安装底座的固定。

外部封装结构体利用灌封工艺附着在传感器密封壳与安装底座外部；传感器单元通过弹性悬挂件固定在竖直杆末端；竖直杆连接并固定上舱盖、下舱盖；弹性透声外罩套装包覆在上舱盖、竖直杆、下舱盖外表面：弹性透声外罩通过上锁紧抱箍、下锁紧抱箍实现与上、下舱盖的固定；上舱盖顶部具有液体注入孔和气体排出孔；上舱盖设置有水密插座，信号线缆通过水密插座中心进行引出，并利用灌封胶进行水密固化；水密插座顶部具备外螺纹结构和纵向密封垫；所述的上舱盖顶部还有内螺纹结构的盲孔。

其中，MEMS电容式矢量声传感器采用MEMS电容式芯片；MEMS电容式矢量声传感器采用双轴或三轴结构；陶瓷电路采用可便捷拆装的模块化层叠结构。陶瓷电路采用模块化层叠结构，单模块内部为空腔，空腔内部为厚膜电极性、互联材料、无源器件与裸芯形成的独立电学功能模块，顶层模块为信号匹配电路，针对不同传感器输出阻抗特性进行适配及电学属性转换，中层模块为放大滤波电路，实现信号幅值的增强与通带外干扰信号的滤除，底层为输出适配电路，根据不同采集系统进行信号输出阻抗及电学属性调整。

陶瓷电路采用HTCC工艺制备。陶瓷电路底座采用可便捷拆装的方形扁平无引脚封装。

水密插座采用在固定平台安装的外螺纹结构。水密插座中段采用环形纵向凹槽，放置橡胶水下密封垫。上舱盖顶部采用吊放安装工作的盲孔结构。安装底座采用固定转接板的限位槽结构。封装完成的传感器单元主体采用侧位悬挂结构。外部封装结构体采用透声聚氨酯或其它弹性透声材料进行热加工后固化形成。

弹性悬挂件为悬挂弹簧，其采用耐油耐腐蚀材料。悬挂弹簧以传感器单元为中心呈几何中心对称结构。悬挂弹簧具备一定的弹性系数，传感器单元与悬挂弹簧装配完成后拉紧，使传感器单元位于整个结构的几何中心位置，并且能够在舱体内部随声波进行三维自由运动。

上舱盖、下舱盖与传感器单元主体的上下平面均保持平行关系。透声灌封液体采用轻蜡油或硅油等透声介质，灌封完成后的水听器内部无气泡。弹性透声外罩采用低渗水性的弹性透声聚氨酯材料。

水密插座中心采用通孔，线缆引出后采用防水固化胶进行密封。封装完成的矢量水听器的重心及几何中心与传感器单元的重心及几何中心重合，远场条件下作为质点感知水声信号。

本发明的理论基础：

弹性透声外罩具有良好的透声性，水下声信号能够通过水听器外部弹性透声外罩进入水听器腔体内部，并通过内部填充介质传播至声学传感器表面。如果声学传感器的几何尺寸圆圆小于波长，则其在水中声波作用下做自由振动时，声学传感器的振动速度幅值V与声场中柱体几何重心处水质点的振动速度幅值V₀之间存在以下关系：

其中：ρ₀为介质密度，

为声学传感器的平均密度。

根据上述公式，当声学传感器的平均密度

等于水介质密度ρ₀时，其振动速度幅值V与水质点振动速度幅值V₀相同。通过声学传感器内部的矢量传感器拾取该振动速度，并将振动信号转化为电信号输出，即可获得声场中水听器几何重心位置水质点的振动速度。

参照图1至图5，本实施例包括MEMS电容式矢量声传感器11、陶瓷电路12、转接板13、安装底座14、传感器密封壳15、传感器密封壳锁紧螺丝16和传感器信号线缆17。

MEMS电容式矢量声传感器11采用锡焊工艺固定于陶瓷电路12顶部的几何中心位置，；陶瓷电路12采用锡焊工艺固定于转接板的上端面的几何中心位置；转接板13放置在安装底座14的限位槽内，并采用钎焊工艺实现转接板13与安装底座14的固定，传感器密封壳15通过传感器密封壳锁紧螺钉16与安装底座14进行固定，传感器信号线缆17穿过安装底座14的中心向外引出。

陶瓷电路12采用模块化层叠结构，可以针对不同参数的电容式传感器进行匹配模块更换；

陶瓷电路12与转接板13连接部分的封装形式选用方形扁平无引脚QFN封装，可实现陶瓷电路12与转接板13的快速装配与解焊。

内部结构安装完成后的结构体需要进行整机封装形成具备声感知能力的传感器单元，封装完成的传感器单元主体外观图和剖面图如图4所示，包括按照图3进行组装完成的结构阵元21，外部封装结构体22和作为侧位悬挂结构的支耳23。外部封装结构体材料采用透声聚氨酯或其它弹性透声材料组成，保证声波向内传播时，封装材料对声波造成的吸收损失和反射损失尽小，矢量传感器可以尽大的感知到外部声波，同时具备低渗水性的弹性聚氨酯材料可以对内部感知阵元形成良好保护作用。

外部封装结构材料需要对传感器单元进行密度调整，使封装完成的传感器单元整体密度接近外部灌封液体密度，保证在液体封装环境中处于零浮力状态。

封装完成的传感器单元需要再次进行组装形成多形态搭载的矢量水听器，其主体剖面结构示意图如图5所示，包括传感器单元31，悬挂弹簧32、竖直杆33、竖直杆紧固螺钉34、上舱盖35、下舱盖36、弹性透声外罩37、上锁紧抱箍38、下锁紧抱箍39和线缆310。

传感器单元31利用弹性悬挂件32连接至竖直杆33顶端处；悬挂完成的传感器单元31的上表面与下表面应保持水平状态；所述的竖直杆33通过竖直杆紧固螺钉34完成与上舱盖35和上舱盖36的刚性固定；所述的竖直杆33与水平面保持垂直关系；所述的上舱盖35和下舱盖36与水平面保持平行关系；所述的传感器单元31应保持在上舱盖35与下舱盖36水平中心的垂直中心位置；弹性透声外罩37套装在上舱盖35、竖直杆33和下舱盖36外部；所述弹性透声外罩37通过上锁紧抱箍38与上舱盖35进行锁紧固定，通过下锁紧抱箍39与下舱盖36进行锁紧固定；所述线缆310从传感器单元31引出，经过上舱盖35中心位置的出现孔引出至矢量水听器外部。

弹性悬挂件32选择具备抗腐蚀能力的弹簧制备，保证传感器的安装可靠性和长期工作的稳定性。

弹性悬挂件32选取适当的弹性系统k，使得传感器单元在封装液体中处于矢量水听器结构的重心、几何中心位置，并且能够在声波的作用下进行自由振动。

组装完成的水听器俯视示意图如图2所示，包括水密插座41、液体注入孔42、气体排出孔43、吊放安装孔44和线缆45。

液体注入孔42用于向水听器内部注入透声灌封液体；所述气体排出孔43在向水听器内部进行注入液体时打开，用于气体排出，实现水听器内外压平衡；灌封液体完成注入后，液体注入孔42和气体排出孔43采用水密螺丝进行封堵，防止内部灌封液体外流；所述水密插座42位于上舱盖35的顶部中心位置，与上舱盖为一体加工成型，水密插座42将的顶部有外螺纹结构，用于与信号采集舱体或其它平台的刚性安装；所述的水密插座中段纵向凹槽内安装有凸起的橡胶水下密封垫，在进行水听器刚性安装时保证结构的水密特性；水密插座42中心为通孔，实现线缆45从水听器内部引出，利用防水固化胶将线缆45与水密插座42中心通孔进行填充密封；吊放安装孔44为盲孔设计，可用于吊环螺钉安装，并通过绳索或其它装置进行吊放，实现水听器的水下独立工作。

组装完成后的便捷式多形态搭载的矢量水听器示意图如图1所示。填充的透声灌封液体介质密度接近于1g/cm³。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型化便捷式多形态搭载的矢量水听器，包括传感器单元、弹性透声外罩和弹性悬挂件，所述传感器单元通过弹性悬挂件安装于弹性透声外罩的中心位置；其特征在于，所述传感器单元(21)包括依次连接的矢量声传感器(11)、信号匹配电路、放大滤波电路、输出适配电路和传感器信号线缆(17)；所述信号匹配电路、放大滤波电路和输出适配电路均位于陶瓷结构(12)内；所述矢量声传感器位于陶瓷结构的顶部，传感器信号线缆固定在陶瓷结构底部的转接板(13)上。

2.根据权利要求1所述的一种小型化便捷式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述陶瓷结构内部设有上、中、下三个腔室，分别用于固定信号匹配电路、放大滤波电路和输出适配电路。

3.根据权利要求1所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述矢量声传感器为MEMS电容式矢量声传感器。

4.根据权利要求1所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述传感器单元还包括传感器密封壳(15)和安装底板(14)，所述传感器密封壳位于安装底板的上方，并与安装底板构成一密闭空间；所述陶瓷结构位于密闭空间内，且固定于安装底板的中心处；所述传感器密封壳外还设有用于安装弹性悬挂件的支耳(23)。

5.根据权利要求4所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述传感器密封壳和安装底板外还设有用于封装的外部封装结构(22)，所述外部封装结构上设有用于支耳穿过的支耳孔；所述外部封装结构的材料为透声聚氨酯。

6.根据权利要求4所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，还包括上舱盖(35)和下舱盖(36)；所述上舱盖和下舱盖通过竖直杆(33)固定，且两者外侧设有弹性透声外罩(37)；所述弹性透声外罩顶部和底部均通过对应的抱箍分别与上舱盖和下舱盖固定；所述传感器单元悬挂于弹性透声外罩内部的中心位置处，弹性悬挂件一端连接竖直杆端部，另一端连接传感器单元上的对应支耳。

7.根据权利要求6所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述传感器单元倒置于上舱盖和下舱盖之间，且传感器信号线缆穿过上舱盖中心处的过线孔。

8.根据权利要求6所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述上舱盖、下舱盖和弹性透声外罩顶部构成的密封腔内部填充有透声灌封液体介质。

9.根据权利要求6所述的一种小型化便携式多形态搭载的矢量水听器，其特征在于，所述上舱盖的顶部固设有水密插头；所述水密插头带有外螺纹，传感器信号线缆穿过水密插头并露出。

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