CN114323254A - 一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置及其工作方法 - Google Patents

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CN114323254A CN202111603421.XA CN202111603421A CN114323254A CN 114323254 A CN114323254 A CN 114323254A CN 202111603421 A CN202111603421 A CN 202111603421A CN 114323254 A CN114323254 A CN 114323254A
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申胜平
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Abstract

本发明公开的一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置及其工作方法，属于传感器测量技术领域。包括绝缘外壳、紧固核心体、若干支撑悬臂和若干挠曲电介质端子；紧固核心体通过若干支撑悬臂密封地设置在绝缘外壳内部，绝缘外壳内部填充有绝缘传导介质；若干挠曲电介质端子的一端与紧固核心体固定连接，另一端悬空且朝向不同方向；挠曲电介质端子厚度方向上相对的两个表面设有电极，电极通过信号线与外部电荷测试系统连接。本发明的定位装置通过应变梯度导致的电极化，直接线性测量若干个方向声压的梯度大小，减小了定位传感系统的尺寸，结构紧凑，操作方便，便于使用。

Description

一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置及其工作方法
技术领域
本发明属于传感器测量技术领域，具体涉及一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置及其工作方法。
背景技术
声波是广泛存在于宏观世界的能量形式，话筒、超声波雷达、水听器都是声波检测的基本器件。在应用领域，通过组合声波检测器件能够有效对检测物体进行定位。挠曲电声压梯度测量定位系统，通过测量声波的多个梯度方向的高阶声压，仅需简单装配即可探测得到声源方位。
挠曲电效应是一种力电耦合效应，它存在于几乎所有电介质材料中，当电介质发生非均匀应变导致的应变梯度时，电介质就会因为挠曲电效应产生电极化。对于测量声压值，由于其电响应微弱，结构设计复杂等多方面因素，其制造及应用都受到了一定的限制。而对于测量声压梯度值，由于其先天的力电耦合机理，可以有效地通过电学输出线性显示某方向声压梯度。
现有的声压传感器无法直接测量声压梯度，只能通过声压差商或声场中声压振速间接测量声压梯度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置及其工作方法，结构简单紧凑，通过测量声波的多个梯度方向的声压，即可直接快速准确地探测得到声源方位。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，包括绝缘外壳、紧固核心体、若干支撑悬臂和若干挠曲电介质端子；紧固核心体通过若干支撑悬臂密封地设置在绝缘外壳内部，绝缘外壳内部填充有绝缘传导介质；若干挠曲电介质端子的一端与紧固核心体固定连接，另一端悬空且朝向不同方向；挠曲电介质端子厚度方向上相对的两个表面设有电极，电极通过信号线与外部电荷测试系统连接。
优选地，若干挠曲电介质端子之间的位置关系为正交。
优选地，挠曲电介质端子的数量≥3。
优选地，挠曲电介质端子为长方体、扇形体或半圆柱体。
优选地，挠曲电介质端子的长厚比大于2。
优选地，紧固核心体为正多面体。
优选地，绝缘外壳为球体，紧固核心体设在绝缘外壳的球心处。
优选地，挠曲电介质端子上的电极材质为铜或银，电极厚度为10-9～10-5m。
优选地，挠曲电介质端子为BST陶瓷，绝缘外壳为橡胶材质，绝缘传导介质为蓖麻油。
本发明公开了上述基于挠曲电声压梯度测量的定位装置的工作方法，包括：
水中的声波从挠曲电介质端子表面电极的法向量方向传来时，通过绝缘外壳和绝缘传导介质传递至紧固核心体上固定的若干挠曲电介质端子上，测量点处产生相应方向的声压梯度值，相应方向的声压梯度值与挠曲电介质端子厚度方向的总应变梯度值产生线性映射关系，挠曲电介质端子发生弯曲变形所输出的电荷量反映测量点处法向量方向的声压梯度值；每个挠曲电介质端子的电荷通过信号线输出至外部电荷测试系统，测量得出每个挠曲电介质端子法向量方向的声压梯度值，求解所有声压梯度值构成的向量，得到声源的方位。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，紧固核心体通过若干支撑悬臂设置在绝缘外壳内，在不同方向上固定若干挠曲电介质端子，挠曲电介质端子的厚度方向上下表面固定电极，并在绝缘外壳内填充绝缘传导介质。由于水是极性分子，直接接触电介质端子会影响输出电荷量，所以需要将其封装在绝缘外壳内；当声波传至无压电效应的挠曲电介质端子时，由于固定支撑形式为悬臂梁式，所以端子只会产生弯曲变形，而弯曲变形又会产生均匀的应变梯度，挠曲电介质端子会随着声波激励的高阶梯度项输出相应的电荷量，声压梯度与电介质的表面电荷呈线性关系，并通过上下表面的电极输出信号。通过将若干个不同方向的挠曲电介质端子的一端固定在同一位置，可以测得若干个线性无关的声压梯度量，通过若干个电荷量即可有效判断声源位置。该装置通过应变梯度导致的电极化，直接线性测量若干个方向声压的梯度大小，减小了定位传感系统的尺寸，结构紧凑，操作方便，便于使用。
进一步地，若干挠曲电介质端子之间的位置关系为正交，有利于后续的求解。
进一步地，挠曲电介质端子的数量≥3，能够通过其它方向测量的声压梯度值校准正交方向声压梯度值，保证测量精度。
进一步地，挠曲电介质端子的长厚比大于2，保证在一阶振型为弯曲振动，不会有扭转变形的干扰。
进一步地，紧固核心体为正多面体，便于正交设置挠曲电介质端子，能够更方便校准测量。
进一步地，绝缘外壳为球体，使各个方向传来的声波的能量耗散相同；紧固核心体设在绝缘外壳的球心处，使各个端子接收到同一时间的同一声波。
进一步地，挠曲电介质端子上的电极材质为铜或银，电极厚度为10-9～10-5m，能够收集挠曲电介质端子表面所有由于力电耦合效应所感应出的表面电荷。
进一步地，挠曲电介质端子采用BST陶瓷，其为当前挠曲电系数较大的电介质材料；绝缘外壳采用橡胶材质，声阻抗与水接近，减少声波的能量耗散；绝缘传导介质采用蓖麻油，与水具有接近的声速，声耗散系数及声阻抗。
本发明公开的上述基于挠曲电声压梯度测量的定位装置的工作方法，操作简便、应用范围广、测量精度高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为实施例中测量(1，1，1)方向冲击载荷激励下的电信号输出；
图3为实施例中测量(1，2，2)方向冲击载荷激励下的电信号输出；
图4为实施例中多次测量结果中估计的声源方位与实际激励方位的比较图。
图中：1-挠曲电介质端子，2-紧固核心体，3-支撑悬臂。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述：
图1为本发明的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置的整体结构示意图，包括绝缘外壳、紧固核心体2、若干支撑悬臂3和若干挠曲电介质端子1；紧固核心体2通过若干支撑悬臂3密封地设置在绝缘外壳内部，绝缘外壳内部填充有绝缘传导介质；若干挠曲电介质端子1的一端与紧固核心体2固定连接，另一端悬空且朝向不同方向；挠曲电介质端子1厚度方向上相对的两个表面设有电极，电极通过信号线与外部电荷测试系统连接。
在本发明的一个较优的实施例中，若干挠曲电介质端子1之间的位置关系为正交。
在本发明的一个较优的实施例中，挠曲电介质端子1的数量≥3，3个能够保证必要的精度，可以增加数量进一步降低测量误差。
在本发明的一个较优的实施例中，挠曲电介质端子1为长方体、扇形体或半圆柱体等能够产生弯曲变形的结构。
在本发明的一个较优的实施例中，挠曲电介质端子1的长厚比大于2。
在本发明的一个较优的实施例中，紧固核心体2为正多面体。
在本发明的一个较优的实施例中，绝缘外壳为球体，紧固核心体2设在绝缘外壳的球心处。
在本发明的一个较优的实施例中，挠曲电介质端子1上的电极材质为铜或银，电极厚度为10-9～10-5m。
在本发明的一个较优的实施例中，挠曲电介质端子1为BST陶瓷，绝缘外壳为橡胶材质，绝缘传导介质为蓖麻油。
上述基于挠曲电声压梯度测量的定位装置的工作方法，包括：
水中的声波从挠曲电介质端子1表面电极的法向量方向传来时，通过绝缘外壳和绝缘传导介质传递至紧固核心体2上固定的若干挠曲电介质端子1上，测量点处产生相应方向的声压梯度值，相应方向的声压梯度值与挠曲电介质端子1厚度方向的总应变梯度值产生线性映射关系，挠曲电介质端子1发生弯曲变形所输出的电荷量反映测量点处法向量方向的声压梯度值；每个挠曲电介质端子1的电荷通过信号线输出至外部电荷测试系统，测量得出每个挠曲电介质端子1法向量方向的声压梯度值，求解所有声压梯度值构成的向量，得到声源的方位。
下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：
本实施例中，挠曲电介质端子1为长方体，长15mm、宽6mm、高2.5mm，采用BST陶瓷；绝缘外壳为球形，直径为13cm，采用橡胶材质；绝缘传导介质采用蓖麻油；电极采用银电极；紧固核心体2为正方体，通过2个支撑悬臂3固定在绝缘外壳的球心处；挠曲电介质端子1为3个，正交固定在紧固核心体2的3个面上，3个挠曲电介质端子1上下表面的电极统一接入信号线，封装入绝缘外壳，相应的三组信号线统一接入电荷放大器后再连接至示波器，记录不同激励情况下的电信号输出。
工作原理：当水中的声波w(x1，x2，x3，t)从电极表面的法向量方向(1，0，0)传来时，在测量点处会有相应方向的声压梯度值
Figure BDA0003432658550000051
相应的声压梯度值会和挠曲电介质端子1厚度方向的总应变梯度∈all＝∫V∈11，3dV值产生线性映射关系
Figure BDA0003432658550000061
而由于挠曲电效应产生的电极化可以表示为：Pijkl＝fijkl∈jk，l，所以仅发生弯曲变形所输出的电荷量Q可以直接反映测量点处(1，0，0)方向的声压梯度值，即
Figure BDA0003432658550000062
其中A表示线性映射系数。
通过测量三个方向的电荷输出，三个方向的声压梯度值
Figure BDA0003432658550000063
即可被测量得出。
由于各个方向的声压梯度值代表了声压与三个方向的偏离程度，所以声源方位可由所测得的声压梯度值构成的向量
Figure BDA0003432658550000064
计算得出。仅通过输出电荷量Q之间的比值而不用计算A的值即可得到声源方向。
将装配好的定位装置放置在桌面上，首先施加从(1，1，1)方向传来的冲击激励，三组信号的电学响应如图2所示。不同方向的响应分别是109pC，108pC和108pC。之后再施加从(1，2，2)方向传来的冲击激励，三组信号的电学响应如图3所示。不同方向的响应分别是82pC，184pC和198pC。通过输出信号响应的比值即可估算声源方位，估计的方向(1，0.99，0.99)，(1，2.24，2.41)与声源方向(1，1，1)，(1，2，2)十分接近。
接下来重复上述的实验，并且把测量的方向矢量和声源的方向矢量与平面x+y+z＝1相交的点绘制在图4上，可以看出，估计的声源方向都与实际激励方向接近，说明本发明的定位装置能够有效地反映声源方位。
需要说明的是，实施例中所述仅是本发明的一种优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，包括绝缘外壳、紧固核心体(2)、若干支撑悬臂(3)和若干挠曲电介质端子(1)；紧固核心体(2)通过若干支撑悬臂(3)密封地设置在绝缘外壳内部，绝缘外壳内部填充有绝缘传导介质；若干挠曲电介质端子(1)的一端与紧固核心体(2)固定连接，另一端悬空且朝向不同方向；挠曲电介质端子(1)厚度方向上相对的两个表面设有电极，电极通过信号线与外部电荷测试系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，若干挠曲电介质端子(1)之间的位置关系为正交。
3.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，挠曲电介质端子(1)的数量≥3。
4.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，挠曲电介质端子(1)为长方体、扇形体或半圆柱体。
5.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，挠曲电介质端子(1)的长厚比大于2。
6.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，紧固核心体(2)为正多面体。
7.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，绝缘外壳为球体，紧固核心体(2)设在绝缘外壳的球心处。
8.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，挠曲电介质端子(1)上的电极材质为铜或银，电极厚度为10-9～10-5m。
9.根据权利要求1所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置，其特征在于，挠曲电介质端子(1)为BST陶瓷，绝缘外壳为橡胶材质，绝缘传导介质为蓖麻油。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的基于挠曲电声压梯度测量的定位装置的工作方法，其特征在于，包括：
水中的声波从挠曲电介质端子(1)表面电极的法向量方向传来时，通过绝缘外壳和绝缘传导介质传递至紧固核心体(2)上固定的若干挠曲电介质端子(1)上，测量点处产生相应方向的声压梯度值，相应方向的声压梯度值与挠曲电介质端子(1)厚度方向的总应变梯度值产生线性映射关系，挠曲电介质端子(1)发生弯曲变形所输出的电荷量反映测量点处法向量方向的声压梯度值；每个挠曲电介质端子(1)的电荷通过信号线输出至外部电荷测试系统，测量得出每个挠曲电介质端子(1)法向量方向的声压梯度值，求解所有声压梯度值构成的向量，得到声源的方位。
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