一种压电纤毛感知空间气流变化弹用传感器组件的制作方法

本发明涉及一种压电纤毛感知空间气流变化弹用传感器组件，属智能材料领域。

背景技术：
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传统炮弹在空间高速运动时，测量炮弹飞行姿态的装置是内部的陀螺仪，但对于智能炮弹，传统的机械陀螺仪不能承受大的过载以及过大的离心加速度，所以需要一种微小传感装置覆盖在弹头表面来感知外部空间流场变化以及确定炮弹的运动信息，进而替代传统的机械陀螺。模仿前庭迷路这一人体行为，即人体前庭器官的感觉上皮上的纤毛束能精确地将人体自身的惯性运动信号转化为电信号，由此利用压电仿生纤毛的压电效应来感知外部空间气流变化，通过对该传感元件合理布置和对仿生纤毛产生的电信号分析，得出炮弹外部三维空间气流的速度及方向，进而可实时推算并跟踪弹体自身的姿态。

技术实现要素：
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针对传统陀螺应用在智能炮弹上的不足，提出一种压电纤毛感知空间气流变化弹用传感器组件。

本发明采用如下技术方案：一种压电纤毛感知空间气流变化弹用传感器组件，包括圆锥型的弹头外壳，在弹头外壳中部外表面铺设有4块压电仿生纤毛传感器，4块压电仿生纤毛传感器沿着弹头外壳外锥面围绕在弹头外壳中心线周围并依次间隔90°分布，上述压电仿生纤毛传感器包括铺设于弹头外壳外表面上的基底，在基底的正上方铺设有三块圆形培养层，培养层之间依次间隔60°并形成等边三角形的结构，在每块培养层正上方种上若干根压电仿生纤毛，记为径向纤毛束；在弹头外壳的正上方分布若干根首尾连接在相邻的2个培养层之间的压电仿生纤毛，记为轴向纤毛束，三条轴向纤毛束整体形成等边三角形结构，上述径向纤毛束和轴向纤毛束共同构成了纤毛束阵列布置，每根上述压电仿生纤毛为圆柱型结构，其包括压电陶瓷以及穿设于压电陶瓷中心的金属芯，在压电陶瓷的一半外表面上沿着圆周方向溅射有电极层，上述电极层与培养层之间连接有导线，导线埋设于基底中。

进一步地，单个上述压电仿生纤毛传感器的整体长度不超过10mm、宽度不超过10mm、高度不超过3mm。

进一步地，每根上述压电仿生纤毛的直径为300μm，长度2mm。

本发明具有如下有益效果：

1、通过径向纤毛束阵列结构和轴向纤毛束阵列结构可实现炮弹在运行中对空间流场大小及方向的感知，进而实时得出弹体运行的空间姿态；

2、运用MEMS技术，压电仿生纤毛作为传感元件其尺寸为微米级，覆盖在弹体表面不会影响炮弹的气动力外形结构；

3、微小的压电仿生纤毛强度和柔性性能好，可承受炮弹在高速运行中的流场速度及过大的过载和过大的离心加速度。

附图说明：

图1为压电仿生纤毛结构示意图。

图2在智能炮弹表面的压电仿生纤毛传感器分布。

图3为压电仿生纤毛束在弹体表面放大结构示意图。

图4为压电仿生纤毛束阵列分布示意图。

其中：

1-金属芯，2-压电陶瓷，3-电极层，4-导线，5-弹头外壳，6-压电仿生纤毛传感器，7-基底，8-培养层，9-径向纤毛束，10-轴向纤毛束，11-纤毛束阵列布置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的解释。

请参照图1至图4所示，本发明压电纤毛感知空间气流变化弹用传感器组件，包括圆锥型的弹头外壳5，在弹头外壳5中部外表面铺设有4块压电仿生纤毛传感器6，4块压电仿生纤毛传感器6沿着弹头外壳5外锥面围绕在弹头外壳5中心线周围并依次间隔90°分布，其中任意3片压电仿生纤毛传感器6以空间区域布置能感知不同方向的风速，另一片压电仿生纤毛传感器6负责风速大小及方向的误差校正。如此分布覆盖在弹头外壳5表面不会影响炮弹的气动力外形结构。

压电仿生纤毛传感器6包括铺设于弹头外壳5外表面上的基底7，在基底7的正上方铺设有三块圆形培养层8，培养层8之间依次间隔60°并形成等边三角形的结构。在每块培养层8正上方种上若干根压电仿生纤毛，记为径向纤毛束9；在弹头外壳5的正上方分布若干根首尾连接在相邻的2个培养层8之间的压电仿生纤毛，记为轴向纤毛束10，三条轴向纤毛束10整体形成等边三角形结构。径向纤毛束9和轴向纤毛束10共同构成了纤毛束阵列布置11。等边三角形的分布结构可有效的增大感知空间三维风速的变化，全方位的捕捉空间流向的变化，其中轴向纤毛束阵列结构作为传感元件能有效的感知空间水平面上流速大小及方向；径向纤毛束阵列结构作为传感元件能有效的感知空间其他2个平面即垂直面和侧平面上流速大小及方向。培养层8上的多根纤毛可有效的通过平均计算提高传感器对空间流速大小、方向精度，

平均计算公式为：其中V：空间流速；α：空间流速方向；n：压电纤毛个数；U_n：单个压电纤毛产生的电压信号值。微小的多根压电仿生纤毛其强度和柔性性能好，可承受炮弹在高速运行中的流场速度及过大的过载和过大的离心加速度。本发明中，单个压电仿生纤毛传感器6的整体长度不超过10mm、宽度不超过10mm、高度不超过3mm。

每根压电仿生纤毛为圆柱型结构，其包括压电陶瓷2以及穿设于压电陶瓷2中心的金属芯1，在压电陶瓷2外表面上的半个区域沿着圆周方向溅射有电极层3，电极层3与培养层8之间连接有导线4，导线4埋设于基底7中。其中每根压电仿生纤毛的直径为300μm，长度2mm。

测量时，压电仿生纤毛传感器6产生的电信号传入计算机中，通过预先建立的计算算法得出炮弹外部三维空间气流的速度及方向，进而可实时推算并跟踪弹体自身的姿态。

以上上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。