CN114689166A - 一种压阻式离子聚合物水听器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压阻式离子聚合物水听器结构，属于水下声学压力传感技术领域。包括金属基座外壳、塑料背衬、下电极片、离子聚合物传感材料、上电级片、碳纤维板、空心圆形金属盖、金属盖外壳。塑料背衬位于金属基座外壳内部，通过4枚螺丝固定；所述上电极片粘贴于碳纤维板下方；所述空心圆形金属盖、碳纤维板和上电极片分别紧密接触，并通过4枚螺丝仅仅固定于金属盖外壳上端。导线与下电极片相连接形成串联，并通过导线槽引致金属基座外壳外部。通过上下金属壳体间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，高效保障离子聚合物变形前的初始体积状态，能有效提升水听器的探测量程范围，从而有效提升其探测灵敏度、稳定性及探测精度。
Description
技术领域
本发明属于水下声学压力传感技术领域，具体涉及一种压阻式离子聚合物水听器结构。
背景技术
水听器作为声纳系统最重要的组成部分，有“水中设备之耳”之称。军事中常被安装到潜艇上，监听目标发出的噪声，判断出目标的位置和速度等特性。然而，随着潜艇减振降噪和舰船隐身技术的进步，其辐射噪声频率逐渐降低至1000Hz以下，且辐射噪声甚至低于海洋环境噪声。这无疑不对主要以高频探测为主的传统声纳系统提出了新的性能要求。而近二十年来出现了一类新型智能材料——电活性聚合物，在外力作用下，由于电活性聚合物发生变形或分子构型变化导致其电参数发生显著变化或直接产生电响应，具有较高灵敏度。此外，由于其具有低机械阻抗和声阻抗的特性，与水的声阻抗率(1.5MPa·s/m)十分接近，因此对于替代水听器感知单元传统材料具有重要潜力。
传统的电活性聚合物传感器通常为电极-离子聚合物-电极的三明治式结构，当传感器处于不受力状态时，可移动离子均匀分散在基底膜中，在弯曲、压力或其他形式的受力状态下，传感器通过离子的重新分布产生电势。以弯曲过程为例，收缩一侧受到压应力，则伸长一侧受到拉应力，离子聚合物内部将产生由收缩区域到伸长区域的弹性应力梯度，这种弹性应力梯度会使离子聚合物中的可移动离子从收缩区域向伸长区域迁移，从而在空间上形成不均匀的电荷分布，表现为在两电极间形成电势差。
然而，近年来针对电活性聚合物的研究主要存在于研究实验阶段，因而由其制备的声学压力传感器大多采用手工封装的方式。然而，手工封装一方面极易造成离子凝胶上表面与其上方电极片存在间隙从而导致测量结果误差较大，另一方面也可能由于过度接触导致聚合物挤压变形从而导致传感器灵敏度变差、量程变短。因此，亟需研制针对离子聚合物的新型水听器结构以实现对水下声学目标高精度、高灵敏度及高稳定性地监测，对新型水下传感器研究领域进行一定的补充，以促进未来水下航行器探测技术的发展，从而使其广泛应用于民用和军用事业。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种针对离子聚合物传感软材料的新型水听器封装结构，通过采用精密螺纹逐渐调整电极与例子聚合物上表面的距离，以弥补其它离子聚合物型水声压力传感器手工封装时，难以控制上电级与离子聚合物间的接触距离从而造成水听器灵敏度低、测量量程短等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种压阻式离子聚合物水听器结构，包括金属基座外壳、塑料背衬、下电极片、离子聚合物传感材料、上电级片、碳纤维板、空心圆形金属盖、金属盖外壳、导线和螺丝。所述塑料背衬位于金属基座外壳内部，通过4枚螺丝固定；所述下电极片位于塑料背衬的圆形凹槽内，其上承载着离子聚合物，二者紧密接触；所述上电极片粘贴于碳纤维板下方；所述空心圆形金属盖位于碳纤维板上方；所述空心圆形金属盖、碳纤维板和上电极片分别紧密接触，并通过4枚螺丝仅仅固定于金属盖外壳上端。所述导线与下电极片相连接形成串联，并通过导线槽引致金属基座外壳外部；所述水听器整体外壳存留的缝隙最终罐装环氧树脂防水胶，包括金属基座外壳和金属盖外壳间、导线槽的出口两部分。
进一步地，所述金属外壳由不锈钢、铝合金或者具有耐蚀和透声功能的轻质金属合金材料制成。
进一步地，所述金属基座外壳底端面留有一个出线孔。
进一步地，所述塑料背衬是由聚氨酯制成，顶部为圆形凹槽，并留有导线槽。
进一步地，所述压阻式水听器较优选择离子聚合物传感材料，包含PVDF与离子液体复合物、热塑性聚氨酯(TPU)与离子液体的复合物、基于全氟磺酸离子交换膜(Nafion)的离子聚合物-金属复合材料(IPMC)和离子型水凝胶。
进一步地，所述离子聚合物传感材料的上表面带有微纳米级阵列结构，包含棱锥状、棱台状、圆柱状、半球形状。
进一步地，所述上电极片和下电极片较优选择导电性较好的金属材料或者镀金材料。
进一步地，所述下电极片需要连接导线通过导线槽引致传感器壳体外，为传感器正极。
进一步地，所述上电极片与金属盖外壳紧密接触，为传感器负极，最终通过金属基座外壳下端螺丝衔接引出导线。
进一步地，所述离子聚合物传感材料最终分别与上电极片和下电极片通过调节上下金属壳体间的螺纹从而达到接触状态。
进一步地，所述上电级片粘接在碳纤维板上，碳纤维板也可由透声性能和防水性能较好的材料代替。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点：
(1)本发明通过上下金属壳体间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，高效保障离子聚合物变形前的初始体积状态，避免其它封装方式导致离子聚合物易被挤压变形的缺陷，从而保障水听器具有较高的初始电阻和较大的电阻变化量，进而提高其灵敏度并增大水听器测量量程；
(2)本发明采用碳纤维板作为顶盖材料，可有效增加水中声音的透射性，从而保障声音高效作用到离子聚合物上，引起其内部带电离子运动并且重新分布进而产生明显的电信号，最终进一步缩短水听器响应时间，同时提高水听器的灵敏度；
(3)本发明采用离子型聚合物作为水声感知单元，此类材料具有低机械阻抗和声阻抗特性，声反射几乎为零，极大保障声音的入射功率，进一步增强水听器的探测灵敏度。
(4)本发明的水听器尺寸为直径50mm，高40mm的圆柱体，直径下限可缩短至30mm左右，高度下限可缩短至20mm左右，可以根据工程环境需要进一步调整尺寸。
(5)本发明制造及组装工艺简单，重量轻，适合工业化生产；相较于手工封装，本发明的硬式封装抗干扰性强，稳定性高，水声测量结果更加精确。
附图说明
图1是本发明金属基座及塑料背衬等部件的装配爆炸示意图；
图2是本发明金属盖外壳及碳纤维板等部件的装配爆炸示意图；
图3是本发明水听器装配过程示意图：(a)上半部分俯视三维立体图,(b)下半部分俯视三维立体图，(c)上半部分仰视三维立体图，(d)上半部分仰视三维立体图；
图4是本发明水听器装配过程示意图：(a)上电级片与离子聚合物距离调节示意图及内部局部放大图，(b)水听器装配完成示意图及内部局部放大图；
图5是本发明压阻式离子聚合物水听器应用场景示意图；
图中标号名称：
1-离子聚合物传感材料，2-下电极片，3-塑料背衬，4-导线槽，5-内螺纹，6-金属基座外壳，7-底端螺丝，8-顶端螺丝，9-空心圆形金属盖，10-碳纤维板，11-上电级片，12-金属盖外壳，13-外螺纹，14-导线出口，15-正极导线，16-负极导线，17-声源，18-水域。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点全面、清晰的展现出来，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。需要提前说明的是，所给出的示意性实施方式及其附图仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本发明的目的是提供的一种压阻式离子聚合物水听器结构，针对传统离子聚合物型水听器封装过程中所存在的电极片与离子聚合物存在缝隙或者过度接触等问题，因而导致的灵敏度误差大、量程小及探测精度稳定性差等缺陷，本发明采用精密螺纹控制电极片与离子聚合物之间的距离，最大程度保障二者之间的有效接触，有效保障水听器量程且提高其灵敏度与稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
图1至图3分别为压阻式离子聚合物水听器不同部分装配爆炸示意图，水听器结构主要包括离子聚合物传感材料1、下电极片2、塑料背衬3、导线槽4、内螺纹5、金属基座外壳6、底端螺丝7、顶端螺丝8、空心圆形金属盖9、碳纤维板10、上电级片11、金属盖外壳12、外螺纹13、导线出口14。其中，塑料背衬3通过底端锁紧螺丝7完成与金属基座外壳6的固定，装配后的示意图如图3(b)和图3(d)所示。上电级片11通过一层薄薄的环氧树脂胶水粘接于碳纤维板10的下端；之后，空心圆形金属盖9、粘接过上电极片的碳纤维板10通过顶端锁紧螺丝8完成与金属盖外壳12的固定，装配后的示意图如图3(a)和图3(c)所示。
其中，压阻式离子聚合物型水听器内的下电极片2通过双面胶固定在塑料背衬3的顶端凹槽内；正极导线15焊接在下电极片2的引脚部位，再经由导线槽4以及导线出口14导出水听器外，线缆引出后需采用防水固化胶进行密封。所述上电级片11与金属盖外壳紧密接触，为传感器负极，最终通过金属基座外壳下端锁紧螺丝7引出负极导线16。所述外部封装上半部分采用碳纤维板10或其它透声性能好的材料，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最小，离子聚合物传感材料1可以尽大的感知到外部声波，同时也可以对传感材料形成良好保护作用。
本发明的理论基础：
所述离子聚合物传感材料1是一类新型智能材料，在外力作用下，由于其发生变形或分子构型变化导致其电参数发生显著变化或直接产生电响应，具有较高灵敏度。其中，比较典型的离子聚合物材料有PVDF与离子液体复合物、热塑性聚氨酯(TPU)与离子液体的复合物、基于全氟磺酸离子交换膜(Nafion)的离子聚合物-金属复合材料(IPMC)以及常用于柔性电子皮肤制备的离子水凝胶材料。此类离子聚合物材料具有低机械阻抗和声阻抗的特性，与水的声阻抗率(1.5MPa·s/m)十分接近，有利于在探测流速时感知单元产生更高的传感响应信号，非常适合用做压阻型水听器的传感材料。
压阻型传感器通常需要串联一个恒流电源，因为传感器串联可等效为一个可变电阻，故可通过检测两端电压值的变化可检测出外力大小。由欧姆定律可知:
Vx＝I×Rx (1-1)
式中：Vx——传感单元两端电压；Rx——离子聚合物电阻，I——电路中电流。
水听器电压灵敏度表达式为：
式中：V0——标准水听器接收到的开路电压；V1——待测水听器接收到的开路电压；M0——标准水听器的电压灵敏度(单位：V/Pa)；M1——待测水听器的电压灵敏度(单位：V/Pa)。
压阻型水听器的电压灵敏度为
则压阻型水听器的声压级灵敏度为
式中：ML——水听器灵敏度(单位：dB)；M1——水听器感知结构的灵敏度(单位：mV/Pa)；Mr——水听器在水中的基准值1V/μPa。
根据上述公式可知，压阻型离子聚合物水听器两端的电压信号直接决定着水听器的灵敏度。由于水听器串联恒流电源，故影响其两端电压信号的根本因素为水听器的阻抗。本发明压阻型离子聚合物水听器结构通过上下金属壳体间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，高效保障离子聚合物变形前的初始体积状态，避免其它封装方式导致离子聚合物易被挤压变形的缺陷，从而保障水听器具有较低的初始电容和较大的电阻变化量，进而提高其灵敏度并增大水听器量程。
图4展示了水听器装配过程和完成装配后的状态。所述离子聚合物传感材料1与上电级片11间的距离控制由内螺纹5与外螺纹13的精密装配来实现。装配过程中，通过缓慢扭转金属盖外壳12推动上电级片11不断向传感材料上表面靠近，如图4(a)内部局部放大图所示。需要注意的是，此过程需要将水听器正负极引线连接LCR电容电阻测量仪，时刻观察水听器的阻抗变化。当LCR仪器上的电阻值由兆欧级变为千欧级时，说明上电级片11刚好与离子聚合物传感材料1相接触，此为水听器最佳状态，如图4(b)内部局部放大图所示。至此水听器装配已初步完成，如图4(b)所示，最后内外螺纹处的缝隙需要用防水固化胶进行密封。
图5展示了压阻式离子聚合物水听器的应用场景示意图，在水域18中，声源17产生的声波作用到了水听器内部离子聚合物传感材料1，其内部的带电粒子在声波力的作用下重新分布引起了上下电极片的电势变化，产生的电信号经由导线引信号采集系统。
以上所述的具体实施例仅为对本发明的技术思想进行展示和说明，不能用于限定本发明，凡在本发明的设计思想和原则之内，在技术方案上所做的任何修改、替换及改进等，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压阻式离子聚合物水听器结构，包括金属基座外壳、塑料背衬、下电极片、离子聚合物传感材料、上电级片、碳纤维板、空心圆形金属盖、金属盖外壳、导线和螺丝，塑料背衬位于金属基座外壳内部，通过四枚螺丝固定；下电极片位于塑料背衬的圆形凹槽内，其上承载着离子聚合物，二者紧密接触；上电极片粘贴于碳纤维板下方；空心圆形金属盖位于碳纤维板上方；空心圆形金属盖、碳纤维板和上电极片分别紧密接触，并通过四枚螺丝仅仅固定于金属盖外壳上端，导线与下电极片相连接形成串联，并通过导线槽引致金属基座外壳外部；通过金属基座外壳与金属盖外壳间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，水听器整体外壳存留的缝隙最终罐装环氧树脂防水胶，包括金属基座外壳和金属盖外壳间、导线槽的出口两部分。
2.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述金属外壳由不锈钢、铝合金或者具有耐蚀和透声功能的轻质金属合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述金属基座外壳底端面留有一个出线孔。
4.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述塑料背衬是由聚氨酯制成，顶部为圆形凹槽，并留有导线槽。
5.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述压阻式水听器优选择离子聚合物传感材料，包含PVDF与离子液体复合物、热塑性聚氨酯TPU与离子液体的复合物、基于全氟磺酸离子交换膜Nafion的离子聚合物-金属复合材料IPMC和离子型水凝胶。
6.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述离子聚合物传感材料的上表面带有微纳米级阵列结构，包含棱锥状、棱台状、圆柱状、半球形状。
7.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述上电极片和下电极片优选择导电性好的金属材料或者镀金材料。
8.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述下电极片需要连接导线通过导线槽引致传感器壳体外，为传感器正极。
9.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述上电极片与金属盖外壳紧密接触，为传感器负极，最终通过金属基座外壳下端螺丝衔接引出导线，上电级片粘接在碳纤维板上，碳纤维板由透声性能和防水性能较好的材料代替。
10.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述离子聚合物传感材料最终分别与上电极片和下电极片通过调节上下金属壳体间的螺纹从而达到接触状态。
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