CN2814340Y - 一种矢量传感器 - Google Patents

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CN2814340Y CN 200520101982 CN200520101982U CN2814340Y CN 2814340 Y CN2814340 Y CN 2814340Y CN 200520101982 CN200520101982 CN 200520101982 CN 200520101982 U CN200520101982 U CN 200520101982U CN 2814340 Y CN2814340 Y CN 2814340Y
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孟洪
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Abstract

本实用新型公开了一种矢量传感器，它涉及声学测量和定位系统的传感领域，尤其适用于海洋水下声学三维矢量信息和一维声压信息获取的矢量水听器；由传感器101、安装骨架102和安装支撑环103构成，安装支撑环一种带有防扭凸起和径向对称的悬挂结构的柔性支撑环，装配在水听器外壳的径向防扭动槽内，悬挂结构用螺钉固定在安装骨架102上；由多件压电元件组成的传感元件组合采用轴向对称悬臂梁或刚性结构弯曲振动，形成包括一维轴向声压梯度矢量、一维声压标量和二维径向正交加速度矢量的三维组合式矢量传感器，其信息处理方法多，应用范围宽，有效抗流噪声，测量精度高，声学性能良好，可用作空气和地层测量的矢量传感器。

Description

一种矢量传感器
所属领域
本实用新型涉及声学测量和定位系统的传感器领域，尤其适用于海洋水下声学三维矢量信息和一维声压信息获取的矢量水听器，可用于空气测量和地层测量的矢量传感器。
背景技术
矢量水听器是用来测量水下声场矢量信息(声压梯度、质点振速、加速度、位移或声强等)的声接收传感器。组合矢量水听器由声压水听器与直接或间接测量振速的传感器等以不同方式同心地组合而成。单个小尺度矢量水听器就可具有不随频率变化的“8”字形或心脏形指向性，因此由它构成的矢量阵与传统的声压水听器阵相比，相同尺寸的矢量阵可获得更大的空间增益。换句话说，要得到相同的空间增益，用组合矢量水听器成阵，将大大减小阵的尺寸。
矢量水听器可用于远程浮标阵声呐和DIFAR定向浮标、战略拖曳线列阵、矢量舷侧阵、矢量舰壳阵及矢量水雷声引信。
平板陶瓷元件的弯曲振动由于其频带窄、应力集中易损坏，而压电陶瓷圆管的刚度要大于平板，因此可以提高固有频率。
矢量水听器，按其所测量的物理量不同可分为声压梯度水听器、位移水听器、振速水听器和加速度水听器，按其与声场的相互作用方式可分为压差型和惯性型。常见的惯性型矢量水听器有球形、椭球形、柱形。现有技术的球形矢量水听器，如哈尔滨工程大学贾志富“三维同振球型矢量水听器的特征及其结构设计”(应用声学，2001年第20卷第4期)，尺寸大、工艺复杂，不利于安装，存在工程适用性缺陷。
国外报道的柱形矢量传感器，如美国J.B.Franklin and P.J.Barry“AcousticParticle Acceleration Sensors”Acoustic Particle Velocity Sensors.：DesignPerformance And Applications.1996(American Institue of Physics，Woodbury)，是质点振动加速度传感器，它获取二维加速度信息。缺少一维矢量信息，使信息处理方法减少，其安装固定方式又限制了它的应用范围。
现有技术存在下列缺陷：
(1)在海洋拖曳电缆上安装柱形矢量传感器，获取的信息有限，缺少一维矢量信息，应用范围受到一定限制。
(2)采用球形结构的三维矢量传感器，弹性悬挂件需手工安装调节，而且体积重量大、不易安装。
(3)采用球形结构的三维矢量传感器，不适合在海洋拖曳线列声阵上安装应用。
(4)传感器与弹性悬挂件的防扭转效果存在不足，使矢量传感器的声学性能受到影响。
(5)球形结构矢量传感器制作工艺较为复杂，总成时间长，成本高，功效低。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型公开了一种矢量传感器，提出一种频带宽、结构简单、性能稳定惯性型组合矢量传感器。它由同心的声压与二维正交加速度信息组合而成，单个小尺度矢量水听器就可获得偶极子指向性，将其声压与加速度信息经简单处理即可获得“心脏形”指向性，可工作在较低的频率。由传感器组合101、安装骨架102和安装支撑环103构成，海洋水声探测用的矢量传感器采用柔性支撑环可以直接套在拖缆的声阵上，安装操作十分简捷。本实用新型实现的技术方案是：
一种矢量传感器，由传感器组合101、安装骨架102和安装支撑环103构成，在于：安装支撑环103套在传感器组合101上，用紧固件将安装支撑环103固定在安装骨架102上，传感器组合101与安装骨架102构成柔性支撑连接或刚性连接的三维矢量传感器；安装支撑环103可包括柔性固定支撑环103-1和柔性支撑环103-2。
所述的一种矢量传感器，在于：传感器组合101由中心支撑环201、绝缘支撑环组202、传感元件组合203、质量块204、开孔端盖205和插针或导线206、端盖207、固定填充层208、传感器外壳209、绝缘片210和紧固件211组成，其中：
传感器组合101由传感元件组203构成三维组合式矢量传感器，它包括一维轴向声压梯度矢量、一维声压标量和二维径向正交加速度矢量；
所述的传感元件组合203是由多件压电元件组成，传感元件组合的压电元件数为4～6件，采用轴向对称结构，传感元件为圆管形或平板形，压电元件包括压电陶瓷、压电单晶、PVDF聚合物压电薄膜以及上述多种材料的压电元件组合；
所述的传感元件组合203优选圆管形压电元件，数量为3对6件，构成以中心支撑座201为中心的轴向对称结构；外层一对圆管形压电元件203-1和203-1’分别以绝缘支撑环202-2和202-2’及开孔端盖205与端盖207支撑固定，外层的另一对圆管形压电元件203-2和203-2’分别以固定在中心支撑座201上的绝缘支撑环202-1和202-1’与绝缘支撑环202-2和202-2’支撑固定；内层的一对圆管形压电元件203-3和203-3’通过中心支撑座201的圆槽与绝缘片210和210’支撑，绝缘片210和210’的轴向一侧加上质量块204和204’，并用紧固件211分别将质量块204和204’、绝缘片210和210’以及压电元件203-3和203-3’对称固紧在中心支撑座201上。
所述的一种矢量传感器，在于：所述的传感器外壳209上开有轴向防滑动的定位凹槽301和径向防扭动的定位凹槽302，槽式结构包括矩形槽、梯形槽和键槽，优选矩形槽；
所述的传感器外壳209轴向防滑动定位凹槽301的对数为1～2对，在传感器外壳209的轴向均匀分布，优选的对数为1对，分布在传感器外壳209的两端；
所述的传感器外壳209径向防扭动定位凹槽302的对数为2～4对，优选的对数为2对，在传感器外壳209的径向对称分布，优选在传感器外壳209两端轴向防滑动定位凹槽301的部位。
所述的一种矢量传感器，在于：用于水声探测的矢量传感器安装支撑环103为一种柔性支撑环，它带有防扭动凸起401和径向对称的悬挂结构402，安装支撑环103装配在传感器外壳209径向防扭动槽内，防扭动突起401定位在传感器的轴向防滑动槽内，径向对称的悬挂结构402用螺钉固定在安装骨架102上；
所述安装支撑环103采用耐油、防老化、防腐蚀的橡胶或聚氨酯材料；
所述安装支撑环103的防扭动突起401和径向对称的悬挂结构402的对数为2～4对，优选的对数为2对。
所述的一种矢量传感器，在于：传感元件组合203的传感压电元件采用轴向对称、成对安装，成对传感元件的电性能优选配对，与传感压电元配套的绝缘支撑环组202成对安装，绝缘支撑环202的支撑面使每个传感压电元件的声中心保持在同一平面。
所述的一种矢量传感器，在于：安装骨架701为空心圆柱结构，圆柱结构的两个端面上开有径向对称分布的螺丝孔702，而且两个端面螺丝孔702轴向对称，传感器组合101置于安装骨架701的空心圆柱结构内，圆柱结构内径大于传感器组合101外径，借助套在传感器组合101的柔性支撑环103-1和紧固螺钉，柔性悬挂固定在安装骨架701的圆柱孔内；
所述的安装骨架701的圆环壁上开有轴向通孔703，轴向通孔703为传感器提供线缆通道；
所述的安装骨架701采用玻璃钢、聚碳酸酯、尼龙和ABS塑料类非金属材料或合金铝、不锈钢和铜类金属材料。
所述的一种矢量传感器，在于：所述的绝缘支撑环组202包括倒T型截面绝缘支撑环202-2和L型截面绝缘支撑环202-2，采用环氧或聚氨酯塑料的绝缘支撑环为传感元件的支撑件。
本实用新型的有益效果是：
(1)本发明矢量传感器应用于海洋水声探测，可以获取二维加速度信息和一维矢量信息，三维矢量传感器信息的处理方法多，应用范围得到了拓宽。
(1)采用柱形对称悬臂结构的三维矢量传感器，一对悬臂结构传感器嵌套，因而体积小、重量轻，容易满足小尺寸安装环境的要求。
(2)由于有效地克服矢量传感器在拖曳线阵导流套内的轴向滑动和径向扭动，减小自噪声，提高灵敏度，可显著提高测量精度。
(3)传感器与安装骨架采用柔性支撑环，使矢量传感器具有良好的抗流噪声效果，可显著提高矢量传感器的声学性能。
(4)矢量传感器制作工艺更加合理，在拖曳线列声阵中的安装十分简便快捷，总成时间短，成本低，功效高。
附图说明
图1是本实用新型一种圆柱形矢量传感器实施例的部件结构示意图；
图2是图1本实用新型一种圆柱形矢量传感器实施例的部件结构的A向侧视图；
图3是本实用新型一种实施例圆柱形矢量水听器实施例传感器组合的结构示意图；
图4是本实用新型一种矢量传感器防扭防滑外壳实施例之一的结构示意图；
图5是图4本实用新型一种矢量传感器防扭防滑外壳实施例之一的结构的B向侧视图；
图6是本实用新型一种矢量传感器防扭防滑外壳实施例之二的结构示意图；
图7是图6是本实用新型一种矢量传感器防扭防滑外壳实施例之二的结构的C向侧视图；
图8是本实用新型一种矢量传感器柔性支撑环施例之一的结构示意图；
图9是本实用新型一种矢量传感器支撑环施例之二的结构示意图；
图10是本实用新型一种矢量传感器实施例的带柔性支撑环的安装骨架结构示意图；
图11是图10本实用新型一种矢量传感器实施例的带柔性支撑坏的安装骨架结构的D向侧视图；
图12是本实用新型一种矢量传感器实施例的三维组合矢量传感器实测的一维X轴向声压梯度矢量通道指向性图；
图13是本实用新型一种矢量传感器实施例的三维组合矢量传感器实测的一维声压通道指向性图；
图14是本实用新型一种矢量传感器实施例的三维组合矢量传感器实测的Y径向二维正交加速度矢量通道指向性图；
图15是本实用新型一种矢量传感器实施例的三维组合矢量传感器实测的Z径向二维正交加速度矢量通道指向性图。
图1和图2中：101——传感器组合；102——安装骨架；103-1——柔性固定支撑环；103-2——柔性支撑环；
图3中：201——中心支撑座；202——绝缘支撑环组；203——传感元件组合；103-2——；204和204’——质量块；205——开孔端盖；206——插针或导线；207——端盖；208——固定填充层；209——水听器外壳；210和210’——绝缘片；211——紧固件；202-1和202-1’——L型截面绝缘支撑圆环；202-2和202-2’——T型截面绝缘支撑圆环；203-1和203-1’——压电元件1；203-2和203-2’——压电元件2；203-3和203-3’——压电元件3；
图8和图9中：401——防扭动凸起；402——径向对称的悬挂结构；
图10和图11中：701——安装骨架；702——螺丝孔；703——走线孔。
图12、图13、图14和图15为一矢量传感器实施例的一维X轴向声压梯度矢量通道指向性图和一维声压通道指向性图以及Y和Z径向二维正交加速度矢量通道指向性图。
具体实施方式
下面结合附图给出本实用新型的实施例：
图1和图2是本实用新型一种实施例圆柱形矢量传感器部件结构示意图和A向侧视图。圆柱形矢量传感器包括由传感器组合101、安装骨架102和安装支撑环103，安装支撑环103-1和103-2套在传感器组合101上，用紧固件将安装支撑环103-1固定在安装骨架102上，使得传感器组合101与安装骨架102构成柔性支撑连接或刚性支撑连接。
图3给出的是本实用新型一种矢量传感器实施例传感器组合的结构示意图，这是用于水下动态工作的一种圆柱形矢量传感器的三维惯性型矢量水听器。传感元件组203中外层的203-1和203-1’是两只同向极化的压电陶瓷圆管，构成梯度通道，拾取轴向声压梯度矢量信息；外层的203-2和203-2’是两只反向极化的压电陶瓷圆管，构成声压通道，拾取声压标量信息；内层的203-3和203-3’是两只四等分电极的压电陶瓷圆管，它们与中心支撑座201、绝缘片210和210’、质量块204和240’及紧固件211构成以201为中心支撑座的悬臂梁结构的弯曲振动二维加速度传感器，拾取径向二维正交加速度矢量信息；一组插针206分别用引线连接各压电元件的输出电极，插针206分别插入开孔盖板205孔中，将三维组合的传感元件组203置于传感器外壳209内圆柱中心，借助模具，在传感器外壳209内圆柱与感元件组203之间的间隙及两端盖外侧注入聚氨酯橡胶，凝固后形成固定填充层208，构成的三维组合惯性型矢量水听器具有良好的“8”字指向性，当水听器在水下接收到声波时，就会输出由声波作用在水听器上经声电能量转换而形成的声压和质点加速度信息。
惯性型组合传感器的结构由刚性圆柱外壳、中心支座、一对外侧对称安装的同向极化的压电陶瓷管作为声压传感器，一对内侧对称安装的反向极化的压电陶瓷管作为压力梯度传感器，一对分割电极的陶瓷管及与之刚性连接的质量块(由螺钉固定在中间支座上)组成。其中两只全电极的陶瓷管是作为声压水听器用的，其内核—两只对称安装的全电极的压电陶瓷管构成二维正交加速度传感器。
本实用新型一种矢量传感器防扭防滑外壳实施例之一的结构示意图及其B向侧视图如图4和图5所示，实施例之一给出的矢量传感器防扭防滑外壳209采用4个轴向均匀分布的轴向防滑槽301和每个轴向防滑槽301上均匀分布8个径向防扭凹槽。
本实用新型一种矢量传感器防扭防滑外壳实施例之二的结构示意图及其C向侧视图如图6和图7所示，实施例之二给出的矢量传感器防扭防滑外壳209采用2个轴向两端分布的轴向防滑凹槽301，在每个轴向防滑凹槽301上均匀分布4个径向防扭凹槽。矢量传感器采用防扭防滑外壳，可以有效防扭防滑，减小相对于安装平台测量声中心的位移误差，提高测向精度，适宜于动态工作的使用环境。
图8和图9给出了本实用新型一种矢量传感器固定支撑环的两个实施例；两种固定支撑环103-1和103-2都带有防扭动凸起401；图5为柔性固定支撑环103-1，它还带有径向对称、柔性的悬挂结构402。对称柔性支撑环组合可有效吸收喘流噪声，抵消动态振动噪声的影响，提高抗流噪声的能力，使传感器组合受力均匀，有效减隔振，而且安装十分简捷。
图10和图11给出本实用新型一种矢量传感器带柔性支撑坏的安装骨架结构示意图及其D向侧视图；带径向防扭动凸起401和径向均匀分布悬挂结构402的柔性支撑坏103-1，借助于螺钉固定在安装骨架701上，安装骨架701的圆环别壁上，轴向开有4～6个均匀分布的过线通孔703。
图12、图13、图14和图15给出的是本实用新型一种三维组合矢量传感器实施例实测的三维矢量通道指向性图和一维声压通道指向性图。图12为一矢量传感器实施例的一维X轴向声压梯度矢量通道指向性图，图13、图14和图15为同一矢量传感器实施例的一维声压通道指向性图以及Y与Z径向二维正交加速度矢量通道指向性图。
本实用新型一种矢量传感器构成的三维同振柱形组合矢量传感器，由同心的声压、声压梯度及二维正交加速度传感器组合而成，单个小尺度组合矢量传感器就可获得(声压全向标量、X轴声压梯度矢量及Y、Z二轴向加速度矢量)四个通道的信息。
结构新颖，简单合理，其主要构件有防扭转(金属或非金属)外壳、中心支撑、去耦环、二对对称安装的全电极的压电陶瓷管，二只分割电极的陶瓷管及与之刚性连接的质量块。其中压电陶瓷管(全电极)是作为声压传感器用的。压电陶瓷管(全电极)是为获得X轴向声压梯度用的。四等分电极陶瓷管(二只)及与之刚性连接的质量块构成基于悬臂梁式弯曲振动模的二维加速度传感器，它拾取Y、Z轴向的加速度信息。

Claims (10)

1.一种矢量传感器，由传感器组合(101)、安装骨架(102)和安装支撑环(103)构成，其特征在于：安装支撑环(103)套在传感器组合(101)上，用紧固件将安装支撑环(103)固定在安装骨架(102)上，传感器组合(101)与安装骨架(102)构成柔性支撑连接或刚性连接的三维矢量传感器；安装支撑环(103)可包括柔性固定支撑环(103-1)和柔性支撑环(103-2)。
2.如权利要求1所述的一种矢量传感器，其特征在于：传感器组合(101)由中心支撑环(201)、绝缘支撑环组(202)、传感元件组合(203)、质量块(204)、开孔端盖(205)和插针或导线(206)、端盖(207)、固定填充层(208)、传感器外壳(209)、绝缘片(210)和紧固件(211)组成，其中：
传感器组合(101)由传感元件组(203)构成三维组合式矢量传感器，它包括一维轴向声压梯度矢量、一维声压标量和二维径向正交加速度矢量；
所述的传感元件组合(203)是由多件压电元件组成，传感元件组合的压电元件数为4～6件，采用轴向对称结构，传感元件为圆管形或平板形，压电元件包括压电陶瓷、压电单晶、PVDF聚合物压电薄膜以及上述多种材料的压电元件组合；
所述的传感元件组合(203)优选圆管形压电元件，数量为3对6件，构成以中心支撑座(201)为中心的轴向对称结构；外层一对圆管形压电元件(203-1)和(203-1’)分别以绝缘支撑环(202-2)和(202-2’)及开孔端盖(205)与端盖(207)支撑固定，外层的另一对圆管形压电元件(203-2)和(203-2’)分别以固定在中心支撑座(201)上的绝缘支撑环(202-1)和(202-1’)与绝缘支撑环(202-2)和(202-2’)支撑固定；内层的一对圆管形压电元件(203-3)和(203-3’)通过中心支撑座(201)的圆槽与绝缘片(210)和(210’)支撑，绝缘片(210)和(210’)的轴向一侧加上质量块(204)和(204’)，并用紧固件(211)分别将质量块(204)和(204’)、绝缘片(210)和(210’)以及压电元件(203-3)和(203-3’)对称固紧在中心支撑座(201)上。
3.如权利要求1或2所述的一种矢量传感器，其特征在于：所述的传感器外壳(209)上开有轴向防滑动的定位凹槽(301)和径向防扭动的定位凹槽(302)，槽式结构包括矩形槽、梯形槽和键槽，优选矩形槽；
所述的传感器外壳(209)轴向防滑动定位凹槽(301)的对数为1～2对，在传感器外壳(209)的轴同均匀分布，优选的对数为1对，分布在传感器外壳(209)的两端；
所述的传感器外壳(209)径向防扭动定位凹槽(302)的对数为2～4对，优选的对数为2对，在传感器外壳(209)的径向对称分布，优选在传感器外壳(209)两端轴向防滑动定位凹槽(301)的部位。
4.如权利要求1或2所述的一种矢量传感器，其特征在于：用于水声探测的矢量传感器安装支撑环(103)为一种柔性支撑环，它带有防扭动凸起(401)和径向对称的悬挂结构(402)，安装支撑环(103)装配在传感器外壳(209)径向防扭动槽内，防扭动突起(401)定位在传感器的轴向防滑动槽内，径向对称的悬挂结构(402)用螺钉固定在安装骨架(102)上；
所述安装支撑环(103)采用耐油、防老化、防腐蚀的橡胶或聚氨酯材料；
所述安装支撑环(103)的防扭动突起(401)和径向对称的悬挂结构(402)的对数为2～4对，优选的对数为2对。
5.如权利要求3所述的一种矢量传感器，其特征在于：用于水声探测的矢量传感器安装支撑环(103)为一种柔性支撑环，它带有防扭动凸起(401)和径向对称的悬挂结构(402)，安装支撑环(103)装配在传感器外壳(209)径向防扭动槽内，防扭动突起(401)定位在传感器的轴向防滑动槽内，径向对称的悬挂结构(402)用螺钉固定在安装骨架(102)上；
所述安装支撑环(103)采用耐油、防老化、防腐蚀的橡胶或聚氨酯材料；
所述安装支撑环(103)的防扭动突起(401)和径向对称的悬挂结构(402)的对数为2～4对，优选的对数为2对。
6.如权利要求1或2所述的一种矢量传感器，其特征在于：传感元件组合(203)的传感压电元件采用轴向对称、成对安装，成对传感元件的电性能优选配对，与传感压电元配套的绝缘支撑环组(202)成对安装，绝缘支撑环(202)的支撑面使每个传感压电元件的声中心保持在同一平面。
7.如权利要求4所述的一种矢量传感器，其特征在于：传感元件组合(203)的传感压电元件采用轴向对称、成对安装，成对传感元件的电性能优选配对，与传感压电元配套的绝缘支撑环组(202)成对安装，绝缘支撑环(202)的支撑面使每个传感压电元件的声中心保持在同一平面。
8.如权利要求1或2或7所述的一种矢量传感器，其特征在于：安装骨架(701)为空心圆柱结构，圆柱结构的两个端面上开有径向对称分布的螺丝孔(702)，而且两个端面螺丝孔(702)轴向对称，传感器组合(101)置于安装骨架(701)的空心圆柱结构内，圆柱结构内径大于传感器组合(101)外径，借助套在传感器组合(101)的柔性支撑环(103-1)和紧固螺钉，柔性悬挂固定在安装骨架(701)的圆柱孔内；
所述的安装骨架(701)的圆环壁上开有轴向通孔(703)，轴向通孔(703)为传感器提供线缆通道；
所述的安装骨架(701)采用玻璃钢、聚碳酸酯、尼龙和ABS塑料类非金属材料或合金铝、不锈钢和铜类金属材料。
9.如权利要求4所述的一种矢量传感器，其特征在于：安装骨架(701)为空心圆柱结构，圆柱结构的两个端面上开有径向对称分布的螺丝孔(702)，而且两个端面螺丝孔(702)轴向对称，传感器组合(101)置于安装骨架(701)的空心圆柱结构内，圆柱结构内径大于传感器组合(101)外径，借助套在传感器组合(101)的柔性支撑环(103-1)和紧固螺钉，柔性悬挂固定在安装骨架(701)的圆柱孔内；
所述的安装骨架(701)的圆环壁上开有轴向通孔(703)，轴向通孔(703)为传感器提供线缆通道；
所述的安装骨架(701)采用玻璃钢、聚碳酸酯、尼龙和ABS塑料类非金属材料或合金铝、不锈钢和铜类金属材料。
10.如权利要求1或2或5或7或9述的一种矢量传感器，其特征在于：所述的绝缘支撑环组(202)包括倒T型截面绝缘支撑环(202-2)和L型截面绝缘支撑环(202-2)，采用环氧或聚氨酯塑料的绝缘支撑环为传感元件的支撑件。
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