專(zhuān)利名稱(chēng)：具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器。
背景技術(shù)：
水聽(tīng)器在長(zhǎng)期使用中隨著時(shí)間遷移會(huì)發(fā)生老化的現(xiàn)象，老化會(huì)使水聽(tīng)器的靈敏度發(fā)生變化，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此測(cè)量水聽(tīng)器每隔一段時(shí)間需要進(jìn)行一次標(biāo)定。水聽(tīng)器通常長(zhǎng)期用于水下測(cè)量，比如船舶的噪聲監(jiān)測(cè)、聲納系統(tǒng)等。安裝的要求非常高，工序比較復(fù)雜，因此費(fèi)用也比較高。長(zhǎng)期使用時(shí)它們的一個(gè)工作要求，但由于老化的原因，通常要將它們拆卸下來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，這樣費(fèi)用巨大，施工難度也較大。
目前的標(biāo)定方法大概分為兩種，一種是自由場(chǎng)互易法，根據(jù)GB3223-82《水聲換能器自由場(chǎng)校準(zhǔn)方法》第3.2條，使用互易換能器經(jīng)過(guò)3次組合，校準(zhǔn)信號(hào)是純音脈沖信號(hào)，用數(shù)字電壓表讀數(shù)。另一種是振動(dòng)液住法，根據(jù)GB.1130-84《水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法》第4條。用一作正弦振動(dòng)的電磁振動(dòng)臺(tái)推動(dòng)容器振動(dòng)，用固定于容器底部的加速度計(jì)測(cè)量液柱底部的加速度。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，用蒸餾水作校準(zhǔn)液。為了在低頻處與加速度計(jì)和水聽(tīng)器的高阻抗相匹配，它們的輸出各自通過(guò)一個(gè)具有高輸入阻抗特性的前置放大器，然后先后輸入至同一個(gè)電壓測(cè)量系統(tǒng)，用數(shù)字電壓表讀取它們的開(kāi)路電壓值。
這兩種標(biāo)定方法要求的條件都比較苛刻，只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。用這兩種方法進(jìn)行在線標(biāo)定是難以實(shí)現(xiàn)的。因此需要有新的方法來(lái)的實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器的標(biāo)定，這種新的方法滿足以下幾個(gè)條件1、激勵(lì)源激勵(lì)的是水聽(tīng)器的聲學(xué)敏感元件；2、激勵(lì)源的精度必須比水聽(tīng)器的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上；3、為降低環(huán)境噪聲的影響，激勵(lì)源與水聽(tīng)器的敏感元件之間必須緊耦合，而且保證信噪比高于20dB；4、在出廠標(biāo)定時(shí)必須同時(shí)標(biāo)定激勵(lì)源，將標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于傳感器中，便于在線自標(biāo)定時(shí)進(jìn)行比對(duì)和補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠進(jìn)行在線自標(biāo)定的水聽(tīng)器，使得水聽(tīng)器在不需要在特定的標(biāo)定條件就可以完成標(biāo)定工作，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確和方便。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器包括外殼1、吸聲材料10、壓電敏感元件8、位于壓電敏感元件8兩側(cè)的內(nèi)電極9和外電極7以及信號(hào)處理電路；其特征在于，還包括位于外電極7外側(cè)的內(nèi)激勵(lì)電極5和位于外殼1內(nèi)側(cè)的外激勵(lì)電極3；所述內(nèi)激勵(lì)電極5與外電極7之間充滿內(nèi)絕緣層6，所述外激勵(lì)電極3與外殼1之間充滿外絕緣層2；所述內(nèi)激勵(lì)電極5與外激勵(lì)電極3之間充滿電介質(zhì)4。
所述絕緣層制作材料的剛度至少大于敏感元件的3倍。
所述絕緣層采用陶瓷材料、云母或樹(shù)脂材料制作。
所述靜電激勵(lì)電極采用網(wǎng)狀電極或梳狀電極。
所述靜電激勵(lì)電極采用金屬鍍膜或石墨電極。
所述電介質(zhì)4為液體偶極性電介質(zhì)，其介電常數(shù)εr值在3～6之間。
所述信號(hào)處理電路包括高壓驅(qū)動(dòng)電源以及依次電連接的信號(hào)調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、升壓電路，其中升壓電路與高壓驅(qū)動(dòng)電源的輸出疊加后加載到所述的外激勵(lì)電極3和內(nèi)激勵(lì)電極5上；所述信號(hào)調(diào)理單元與所述壓電敏感元件8電連接；所述數(shù)據(jù)處理單元還分別與存儲(chǔ)單元、通訊單元電連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明提供的水聽(tīng)器不僅可以象普通水聽(tīng)器那樣拾取水聲信號(hào)，而且可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，更重要的是它具有在線自標(biāo)定和補(bǔ)償功能。本發(fā)明是用靜電激勵(lì)的方法來(lái)激勵(lì)水聽(tīng)器的聲學(xué)敏感元件，使之受到與聲相同的激勵(lì)，從而標(biāo)定水聽(tīng)器。由于靜電激勵(lì)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲激勵(lì)的精度，靜電電極和電路的老化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水聽(tīng)器的聲學(xué)敏感元件，而且老化帶來(lái)的偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水聽(tīng)器的聲學(xué)敏感元件老化帶來(lái)的偏差。由于其兩個(gè)電極之間緊耦合，靜電激勵(lì)裝置本身不受環(huán)境的影響，而且可以達(dá)到很高的信噪比，排除背景噪聲的影響。這種水聽(tīng)器可以在長(zhǎng)期執(zhí)勤、無(wú)人值守的情況下準(zhǔn)確的工作。而普通水聽(tīng)器由于安裝、老化等原因使其靈敏度發(fā)生變化，而測(cè)量中無(wú)法感知這種變化，這將給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。而且不同水聽(tīng)器需要經(jīng)常在特定的標(biāo)定裝置和條件下進(jìn)行標(biāo)定，一旦進(jìn)行了使用安裝就難以進(jìn)行再標(biāo)定，而該發(fā)明的水聽(tīng)器可以隨時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，不受以上條件的限制。


圖1是本發(fā)明的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器物理結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是在線標(biāo)校水聽(tīng)器電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是網(wǎng)狀電極的示意圖。
圖面說(shuō)明1---外殼，2---外絕緣層，3---外激勵(lì)電極，4---電介質(zhì)，5---內(nèi)激勵(lì)電極，6---內(nèi)絕緣層，7---外電極，8---壓電敏感元件，9---內(nèi)電極，10---吸聲材料具體實(shí)施方式
實(shí)施例1下面將以圓柱型壓電水聽(tīng)器為例說(shuō)明本發(fā)明。如圖1所示，水聽(tīng)器最外面是密封的外殼1，一般由不銹鋼制作，具有一定的耐壓能力。在外殼的內(nèi)表面附著一層外絕緣層2，本實(shí)施例中絕緣層采用陶瓷電子絕緣材料AL203制作。本發(fā)明的絕緣層的制作材料不限于陶瓷材料，也可以是別的絕緣材料，如、云母、樹(shù)脂等，但要求有較大的剛度(其剛度大于敏感元件的3到6倍)，即在受力時(shí)變形量極小(在同樣受力的情況下，變形小于敏感元件的1/10)。在絕緣層的內(nèi)表面安裝上一層金屬網(wǎng)，形成靜電激勵(lì)器的外激勵(lì)電極3，網(wǎng)狀金屬層在靜電場(chǎng)中能聚集更多的電荷；在壓電敏感元件8的外表面鍍上梳狀電極，即靜電激勵(lì)器的內(nèi)激勵(lì)電極5，這種梳狀電極不影響壓電敏感材料的變形，即水聽(tīng)器的靈敏度；在內(nèi)激勵(lì)電極5的內(nèi)表面與壓電敏感元件8外表面上的外電極7之間是內(nèi)絕緣層6；壓電敏感元件8的內(nèi)表面是內(nèi)電極9，內(nèi)電極的中間是吸聲材料10，在靜電激勵(lì)器的兩個(gè)電極之間充滿介電常數(shù)εr值在3～6的液體偶極性電介質(zhì)4。本實(shí)施例采用蓖麻油作為電介質(zhì)，其介電常數(shù)為3.4。值得注意的是，不僅兩個(gè)激勵(lì)電極之間充滿液體電介質(zhì)，外殼內(nèi)部的其它空隙中也充滿了液體電介質(zhì)。外殼的一端開(kāi)口，與一密封接頭相配合，從而將液體電介質(zhì)密封在外殼內(nèi)部。各電極、激勵(lì)電極與壓電敏感元件均可連接導(dǎo)線，并通過(guò)密封接頭與外界設(shè)備連接。
普通的水聽(tīng)器只是在圓柱狀壓電材料的內(nèi)表面和外表面有電極，這兩個(gè)電極之間的電壓差就是聲壓作用在壓電材料上是壓電材料產(chǎn)生的響應(yīng)，電壓值的大小反映了聲壓的大小。本發(fā)明一方面在壓電材料的外表面的電極外加上一層絕緣層，在絕緣層的外面又加上一層電極，另一方面在水聽(tīng)器金屬外殼的內(nèi)表面加上一層絕緣層，絕緣層內(nèi)再加一層電極。這樣就多了一對(duì)緊挨著的電極。由于水聽(tīng)器的內(nèi)部是充油的，油的介電常數(shù)較大，使這兩個(gè)電極形成大的電容。當(dāng)這兩個(gè)電極之間加上較高的電壓，這兩個(gè)電極之間將產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，這個(gè)靜電力將是激勵(lì)敏感元件即壓電材料的力。因此激勵(lì)源就此形成。
該激勵(lì)裝置優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面1)該激勵(lì)裝置的激勵(lì)源是兩個(gè)極板之間的作用的電場(chǎng)力，它不影響水聽(tīng)器內(nèi)的聲場(chǎng)；2)電極之間的距離很近，是緊耦合，不容易受到其他因素影響；3)該激勵(lì)裝置的激勵(lì)源老化周期長(zhǎng)，老化主要在電路的元器件上，這些元器件的老化對(duì)產(chǎn)生靜電力的影響較??；對(duì)于其他類(lèi)型的水聽(tīng)器同樣可以采取這樣的措施，即在敏感元件的表面加上一個(gè)額外的電極，使該電極與殼體內(nèi)表面附加的電極形成可以產(chǎn)生較強(qiáng)及電力的激勵(lì)裝置。因此，雖然本實(shí)施例是以圓柱形水聽(tīng)器為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述的，但可以理解，本發(fā)明還可以采用其他類(lèi)型的水聽(tīng)器，如薄片型、薄板型、疊片型、圓筒型和同軸線型水聽(tīng)器。
本發(fā)明中，激勵(lì)裝置(即靜電激勵(lì)器)的電極可以是金屬鍍膜、也可以是石墨電極，電極的形狀可以是多種形式，其中包括網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如圖3所示)、梳狀結(jié)構(gòu)等。
在線自標(biāo)定的水聽(tīng)器的電路需要具備這樣幾個(gè)功能模塊才能滿足在線標(biāo)定的需要信號(hào)發(fā)生器、高壓驅(qū)動(dòng)電源、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、存儲(chǔ)和通訊。本實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)這些功能模塊的電路模塊有信號(hào)調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、高壓驅(qū)動(dòng)電源、升壓電路、D/A轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、存儲(chǔ)單元、通訊單元。(如圖2所示，該圖中的敏感單元是指前文中的壓電敏感元件，靜電激勵(lì)器是指由內(nèi)、外激勵(lì)電極構(gòu)成的激勵(lì)源)下面分別描述各個(gè)功能模塊信號(hào)發(fā)生器是由數(shù)據(jù)處理單元產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間序列，該時(shí)間序列通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的功能；本實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器的DSP芯片和D/A芯片分別采用AD公司的AD2181和AD1857。
高壓驅(qū)動(dòng)電源由升壓模塊降低電壓電源升到較高的電壓，同時(shí)將D/A轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)放大，并將放大的激勵(lì)信號(hào)疊加到高壓電源的輸出端，疊加信號(hào)加到靜電激勵(lì)器的兩個(gè)電極上，提高激勵(lì)源的信噪比。
信號(hào)調(diào)理是由信號(hào)調(diào)理單元向水聽(tīng)器敏感單元電極間提供驅(qū)動(dòng)電壓，并對(duì)敏感單元拾取到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波；模數(shù)轉(zhuǎn)換是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元將信號(hào)調(diào)理單元放大和濾波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理單元；本發(fā)明中，調(diào)理模塊、數(shù)模/模數(shù)模塊、信號(hào)處理模塊和存儲(chǔ)模塊可以是通用芯片，也可以需用包含這幾個(gè)模塊的SOC芯片。
信號(hào)處理是由數(shù)據(jù)處理單元產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并處理和分析A/D轉(zhuǎn)換單元傳來(lái)的敏感單元拾取到的信號(hào)。
存儲(chǔ)是通過(guò)存儲(chǔ)單元，它存儲(chǔ)傳感器的參數(shù)、一些處理數(shù)據(jù)、補(bǔ)償系數(shù)、數(shù)據(jù)處理單元的代碼等等；通訊是通過(guò)通訊單元向外傳輸拾取到的信號(hào)，接受外部的命令和設(shè)置等。本發(fā)明中，通訊模塊可以是可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、RS-232、V.35、RS-449、RS-422、RS-485、USB等協(xié)議的芯片及電路。
作為激勵(lì)裝置的，要是靜電激勵(lì)源產(chǎn)生高信噪比的激勵(lì)，必須在激勵(lì)電極的兩端施加高電壓，則電路需要提供一個(gè)高電壓驅(qū)動(dòng)電源。
標(biāo)定水聽(tīng)器是標(biāo)定的敏感元件的動(dòng)態(tài)特性，在驅(qū)動(dòng)電壓上要疊加動(dòng)態(tài)信號(hào)，動(dòng)態(tài)信號(hào)的產(chǎn)生則需要信號(hào)發(fā)生器，這里的信號(hào)發(fā)生器是由信號(hào)處理單元產(chǎn)生信號(hào)序列，該信號(hào)序列由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電壓疊加，形成激勵(lì)源。
水聽(tīng)器敏感元件受到靜電激勵(lì)電源的激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理進(jìn)行放大和濾波，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果進(jìn)行保存和傳輸。
另外，本實(shí)施例中各個(gè)模塊都要求供電，如果本地供電只能使用電池，電池需要經(jīng)常更換，不能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方便和長(zhǎng)期穩(wěn)定使用的優(yōu)點(diǎn)。因此需要采用遠(yuǎn)程供電，其電源可以隨通訊電纜供給水聽(tīng)器。
權(quán)利要求
1.一種具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，包括外殼(1)、吸聲材料(10)、壓電敏感元件(8)、分別位于壓電敏感元件(8)兩側(cè)的內(nèi)電極(9)和外電極(7)以及信號(hào)處理電路；其特征在于，還包括位于外電極(7)外側(cè)的內(nèi)激勵(lì)電極(5)和位于外殼(1)內(nèi)側(cè)的外激勵(lì)電極(3)；所述內(nèi)激勵(lì)電極(5)與外電極(7)之間充滿內(nèi)絕緣層(6)，所述外激勵(lì)電極(3)與外殼(1)之間充滿外絕緣層(2)；所述內(nèi)激勵(lì)電極(5)與外激勵(lì)電極(3)之間充滿電介質(zhì)(4)。
2.按權(quán)利要求1所述的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，其特征在于，所述絕緣層制作材料的剛度至少大于壓電敏感元件的3倍。
3.按權(quán)利要求1所述的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，其特征在于，所述絕緣層采用陶瓷材料、云母或樹(shù)脂材料制作。
4.按權(quán)利要求1所述的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，其特征在于，所述靜電激勵(lì)電極采用網(wǎng)狀電極或梳狀電極。
5.按權(quán)利要求1所述的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，其特征在于，所述靜電激勵(lì)電極采用金屬鍍膜或石墨電極。
6.按權(quán)利要求1所述的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，其特征在于，所述電介質(zhì)(4)為液體偶極性電介質(zhì)，其介電常數(shù)εr值在3到6之間。
7.按權(quán)利要求1所述的具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，其特征在于，所述信號(hào)處理電路包括高壓驅(qū)動(dòng)電源以及依次電連接的信號(hào)調(diào)理單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元、升壓電路，其中升壓電路與高壓驅(qū)動(dòng)電源的輸出疊加后加載到所述的外激勵(lì)電極(3)和內(nèi)激勵(lì)電極(5)上；所述信號(hào)調(diào)理單元與所述壓電敏感元件(8)電連接；所述數(shù)據(jù)處理單元還分別與存儲(chǔ)單元、通訊單元電連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有在線自標(biāo)定功能的水聽(tīng)器，包括外殼、吸聲材料、壓電敏感元件、位于壓電敏感元件兩側(cè)的內(nèi)電極和外電極以及信號(hào)處理電路；其特征在于，還包括位于外電極外側(cè)的內(nèi)激勵(lì)電極和位于外殼內(nèi)側(cè)的外激勵(lì)電極；所述內(nèi)激勵(lì)電極與外電極之間充滿內(nèi)絕緣層，所述外激勵(lì)電極與外殼之間充滿外絕緣層；所述內(nèi)激勵(lì)電極與外激勵(lì)電極之間充滿電介質(zhì)。本發(fā)明提供的具有在線自標(biāo)定和補(bǔ)償功能，可以在長(zhǎng)期執(zhí)勤、無(wú)人值守的情況下準(zhǔn)確的工作，克服了普通水聽(tīng)器由于安裝、老化等原因使其靈敏度發(fā)生變化，給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01S7/521GK101046408SQ20061006630
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月28日
發(fā)明者程曉斌, 李曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所