低频低噪声压电矢量传感器的制作方法

本发明涉及低频低噪声压电矢量传感器，属于水声工程领域。

背景技术：

对于水下弱目标的检测，常规方法是利用声压水听器组成阵列。然而对于低频目标，由于基本原理限制，往往需要大孔径声压水听器阵列，这会导致实际部署中安装或维护的困难大大提升。矢量传感器不但可以同时获得的声场中的声压与质点振速，且在低频时具有自然的偶极子指向性，同时具有抑制各向同性环境噪声的能力，在低频探测方面更具优势。近年来，小尺度多极子矢量传感器阵列设计技术的开发，为低频远程探测领域提供了新的思路，同时也对矢量传感器性能提出了更高的要求：在低频范围，不仅要求单纯的高灵敏度，而同时更要求具有甚低的自噪声。

多数关于矢量传感器的研究仅关注灵敏度或指向性性能的提升。近年来，随着矢量传感器实际工程应用的增加，其自噪声性能已逐渐得到重视。矢量传感器的自噪声通常是指由传感器本身的材料或结构的热和噪声引起的、与环境因素无关的固有噪声，无法消除。但是，仅考虑传感器本身无法在实际中获得低噪声性能的，尤其是在低频。主要原因是压电矢量传感器属于高阻型，与前置放大电路级联后会在低频产生较大的噪声电压，频率越低，噪声越高，且一般来说该部分噪声远高于传感器本身自噪声，是矢量传感器系统的主要噪声源。只有结合前置放大电路一体化联合低噪声设计，方可在低频获得低噪声性能。而现有公开文献所报道的等效自噪声的测试结果在低频段均显著高于或接近knudsen零级海况海洋环境噪声，这极大的限制了矢量传感器在低频弱信号探测领域的应用，甚至制约了矢量声呐技术的发展。

因此，本发明的目的就是解决目前在矢量声呐中急需的低频、低噪声矢量传感器问题，从而可以提供一种工作在低频的、低于零级海况海洋环境噪声的高性能矢量传感器，为低频弱信号的有效拾取提供保障。

技术实现要素：

本发明提出了低频低噪声压电矢量传感器，其目的是为了解决目前在矢量声呐系统中急需的能够对低频弱信号进行有效接收的低噪声矢量传感器问题。

低频低噪声压电矢量传感器，包括水密层，所述压电矢量传感器还包括加速度计单元、支撑件、压电圆管、上端帽、下端帽、放大电路单元、屏蔽结构、电缆、底部转接板、去耦材料、隔离柱、顶部转接板、接线板和悬挂螺栓，所述支撑件、上端帽、下端帽、去耦材料和底部转接板依次固定在一起，所述加速度计单元安装在所述支撑件中，所述压电圆管紧固在上端帽与下端帽间，所述放大电路单元通过所述隔离柱与所述顶部转接板的一侧连接，所述接线板安装在所述顶部转接板的另一侧，所述顶部转接板和底部转接板分别通过所述悬挂螺丝安装于所述水密层的前端内表面和后端内表面上，所述屏蔽结构安装在所述顶部转接板和底部转接板间，所述屏蔽结构设置于所述加速度计单元和所述水密层侧壁之间，并与所述加速度计单元的外壳连接。

进一步的，所述加速度计单元为双臂弯曲梁结构加速度计，包括基座、弹性梁、匹配质量块和矩形压电有源材料，所述弹性梁安装于所述基座间，所述矩形压电有源材料粘接在所述弹性梁的上下两侧，形成叠片形式，所述匹配质量块安装在所述弹性梁中心的上下两侧。

进一步的，所述矩形压电有源材料为弛豫铁电单晶。

进一步的，所述压电圆管为压电陶瓷材料或弛豫铁电单晶，且为径向极化方式。

进一步的，所述加速度计单元的正极和负极分别与放大电路单元的信号输入端的正极和负极相连接。

进一步的，所述电缆包括信号组、电源组和屏蔽层，所述电缆采用的是四芯对绞单屏蔽结构，所述信号组的正极和负极分别与放大电路单元的信号输出端的正极和负极连接，所述电源组的正极和负极分别与放大电路单元上的电源输入正负极相连接，所述屏蔽层与屏蔽结构连接，所述放大电路单元中的信号输入端的负极、信号输出端的负极和电源的负极均导通，且与所述屏蔽层相连接。

进一步的，所述放大电路单元包括前置放大单元和二级放大单元，所述前置放大单元中包括场效应管q1、输入电阻rin、电阻r1、电阻r2和供电电源e，所述二级放大单元包括低噪声电压运算放大器u1、反馈电容rf和隔离电容c1。

加速度计单元等效为电容cp，所述场效应管q1的栅极分别与电容cp的一端和输入电阻rin的一端连接，所述场效应管q1的源极与电阻r1的一端连接，所述场效应管q1的漏极分别与电阻r2的一端和隔离电容c1的一端连接，所述电阻r2的另一端连接供电电源e，所述隔离电容c1的另一端分别与所述低噪声电压运算放大器u1的反相输入端连接和所述反馈电容rf的一端连接，所述反馈电容rf的另一端与所述低噪声电压运算放大器u1的输出端连接，所述低噪声电压运算放大器u1的同相输入端、电阻r1的另一端、输入电阻rin的另一端、电容cp的另一端均接地。

进一步的，所述场效应管q1为共源极jfet，所述输入电阻rin配置为不小于50mω，所述低噪声电压运算放大器u1设置为放大倍数不小于10倍。

进一步的，所述屏蔽结构为紫铜网或不锈钢薄壁管。

进一步的，所述屏蔽结构为在水密层中加入导电金属粉制成。

本发明的有益效果：本发明提出的低频低噪声压电矢量传感器的实测等效自噪声在60～1000hz频带内均显著低于knudsen零级海况海洋环境噪声(knudsenss0)，其中100hz、200hz、500hz和1000hz的等效噪声声压级分别为52.8db、44.2db、31.9db和11.7db，较knudsenss0低了7.8db、11.8db、18.1db和33.2db，该指标优于目前公开文献中报道的矢量传感器等效自噪声。

附图说明

图1为本发明的低频低噪声压电矢量传感器的剖面视图；

图2为双臂梁弯曲加速度计结构示意图，其中，图2(a)为双臂梁弯曲加速度计的主视图；图2(b)为双臂梁弯曲加速度计的俯视图；

图3为本发明的低频低噪声压电矢量传感器的内部接线示意图；

图4为放大电路单元原理图；

图5为矢量传感器自噪声分析原理图；

图6为噪声贡献分析图；

图7为本发明的低频低噪声压电矢量传感器的主要性能参数测试结果图，其中，图7(a)为等效噪声声压级图；图7(b)为声压灵敏度图；图7(c)为100hz指向性图；

图8为一种二维配置的加速度计的俯视图；

图9为一种三维配置的低频低噪声压电矢量传感器示意图。

其中，1为加速度计单元，2为支撑件，3为压电圆管，4为上端帽，5为下端帽，6为放大电路单元，7为屏蔽结构，8为水密层，9为电缆，10为底部转接板，11为去耦材料，12为隔离柱，13为顶部转接板，14为接线板，15为悬挂螺栓，16为双臂弯曲梁，17为基座，18为弹性梁，19为匹配质量块，20为矩形压电有源材料，21为加速度计外壳，22为信号组，23为电源组，24为屏蔽层，25为二维加速度计，26为二维加速度计外壳，27为球形水密层，28为球形屏蔽结构，29为基板，30为隔柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明提出了低频低噪声压电矢量传感器的一实施例，包括水密层8，压电矢量传感器还包括加速度计单元1、支撑件2、压电圆管3、上端帽4、下端帽5、放大电路单元6、屏蔽结构7、电缆9、底部转接板10、去耦材料11、隔离柱12、顶部转接板13、接线板14和悬挂螺栓15，支撑件2、上端帽4、下端帽5、去耦材料11和底部转接板10依次固定在一起，加速度计单元1安装在支撑件2中，压电圆管3紧固在上端帽4与下端帽5间，放大电路单元6通过隔离柱12与顶部转接板13的一侧连接，接线板14安装在顶部转接板13的另一侧，顶部转接板13和底部转接板10分别通过悬挂螺丝15安装于水密层8的前端内表面和后端内表面上，屏蔽结构7安装在顶部转接板13和底部转接板10间，屏蔽结构7设置于加速度计单元1和水密层8侧壁之间，并与加速度计单元1的外壳连接。

参照图2所示，在本部分优选实施例中，加速度计单元1采用弛豫铁电单晶作为有源材料，拟利用其低介电损耗、高压电常数和介电常数，降低加速度计单元等效自噪声，从而为低噪声实现提供基础；弛豫铁电单晶可选用pmnt、pin-pmn-pt、pznt或mn:pmnt等；采用弯曲结构设计加速度计，以达到矢量传感器在低频具有较高声压灵敏度的目的；弯曲结构可选用常规及改进的弯曲梁、弯曲圆盘结构，也包括cymbal及其改进结构等；本实施例的加速度计单元1为双臂弯曲梁16结构加速度计，包括基座17、弹性梁18、匹配质量块19和矩形压电有源材料20，弹性梁18安装于基座17间，矩形压电有源材料20粘接在弹性梁18的上下两侧，形成叠片形式，匹配质量块19安装在弹性梁18中心的上下两侧。

具体的，加速度计单元1是本发明的矢量传感器的关键部件之一，为了达到低频高灵敏度目的，本发明采用双臂弯曲梁16结构加速度计，参照图2a和图2b所示，双臂弯曲梁16由基座17、弹性梁18、匹配质量块19和压电有源材料20组成，弹性梁18、匹配质量块19和压电有源材料20的尺寸及性能决定了加速度计单元1的频带和灵敏度；压电有源材料20的尺寸及性能决定了加速度计单元1的低频自噪声。在其他实施例中，也可以采用非弯曲梁形式的加速度计。

压电有源材料20选用弛豫铁电单晶xpb(in1/2nb1/2)o3-ypb(mg1/3nb2/3)o3-(1-x-y)pbtio3(pin-pmn-pt)，且为进一步提升灵敏度，选择具有更高横向压电常数切型；相比于压电陶瓷，弛豫铁电单晶具有更低的介电损耗，从而可从根本上降低加速度计器件的电子热噪声。矩形压电有源材料20粘接在弹性梁18的上下两侧，组成叠片形式，以增加灵敏度。两块尺寸和材料相同的匹配质量块19分别安装在弹性梁18的中心以增加惯性质量。

放大电路单元6通过隔离柱12与顶部转接板13相连接；顶部转接板13的另一侧连接接线板14，负责将电缆9内的芯线引出，且使得布线更加规则，以便减小干扰来源。

另外，本发明也可在上述一维矢量传感器的实施例的基础上，根据实际工作需求，扩展到二维或三维的配置方案。一种用于低频低噪声矢量传感器的二维加速度计25内部主要结构的轴向剖面示意图如图8所示，将两个双臂弯曲梁16配置为正交，x和y表示信号检测方向，封装在二维加速度计外壳26内，以减小矢量传感器体积。若将低频低噪声矢量传感器用于检测空间中正交的三方向质点加速度，一种三维球形配置方案示意图如图9所示。矢量传感器主要由球形水密层27、球形屏蔽结构28、基板29、加速度计单元1、放大电路单元6、隔柱30和电缆9组成。x/y/z分别表示信号检测方向。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，压电圆管3为压电陶瓷材料，且为径向极化结构。

具体的，声压单元采用pzt-5a压电陶瓷作为有源材料，制成径向极化的压电圆管3结构，并配有上端帽4和下端帽5，组成两端封闭的声压水听器。上端帽4同时与支撑件2相连接，用以固定加速度计单元1；下端帽5与底部转接板10相连接，在两者中间加入去耦材料11。

参照图3所示，在本部分优选实施例中，加速度计单元1的正极和负极分别与放大电路单元6的信号输入端的正极和负极相连接。

参照图3所示，在本部分优选实施例中，电缆9包括信号组22、电源组23和屏蔽层24，电缆9采用的是四芯对绞单屏蔽结构，信号组22的正极和负极分别与放大电路单元6的信号输出端的正极和负极连接，电源组23的正极和负极分别与放大电路单元6上的电源输入正负极相连接，屏蔽层24与屏蔽结构7连接，放大电路单元6中的信号输入端的负极、信号输出端的负极和电源的负极均导通，且与屏蔽层24相连接。

具体的，电缆9采用具有石墨层的低噪声电缆作为输出电缆；每单元输出采用对绞，可以单独屏蔽，或多通道总屏蔽；电缆9外皮与水密层8紧密贴合，电缆9内芯线在内部与接线板14连接，屏蔽线与屏蔽结构7连接。

参照图4所示，在本部分优选实施例中，放大电路单元6包括前置放大单元和二级放大单元。

具体的，参照图4所示，放大电路单元6中包含加速度计单元1、由结型场效应管jfet构成的前置放大单元和由运算放大器构成的二级放大电路。其中，加速度计等效为电容cp；q1是共源级jfet，利用其在低频具有较低的噪声电压和漏电流，以降低低频噪声；输入电阻rin配置为不小于50mω，以匹配高阻抗加速度计，并降低系统的等效自噪声；采用低噪声电压运算放大器u1，利用反馈电容rf并将放大倍数设置成不小于10倍，以忽略前置放大电路的输出噪声电压。隔直电容c1用来滤掉前置放大单元输出的直流偏置。

建立图5所示的自噪声分析原理图，包含加速度计噪声源、耦合噪声源、jfet噪声源和一个理想无噪声jfet。其中，加速度计噪声源包含机械热噪声源nm、电子热噪声源na和信号源sp，以及等效电容cp；耦合噪声源包含输入电阻rin及其热噪声源erin、输入电容cin和jfet漏电流in；jfet噪声源是其电压噪声evn，实际包含1/f噪声和jfet噪声电压；r2是负载电阻。根据该原理图，可对矢量传感器系统的自噪声进行分析，找出主要贡献源，进而展开降噪设计。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，屏蔽结构7为紫铜网或不锈钢薄壁管。

具体的，为提高矢量传感器抗干扰能力，从而屏蔽电磁干扰对自噪声的影响，对整体结构增加屏蔽结构7。屏蔽结构与加速度计单元1的外壳、放大电路gnd采用单点方式接地，同时电缆的屏蔽线与屏蔽结构连接。在顶部转接板13和底部转接板10之间，利用紫铜网制成屏蔽结构7，尽量减小使用环境中电磁干扰对加速度计单元1、压电圆管3和放大电路单元6等器件噪声的影响。

在本部分优选实施例中，屏蔽结构7为在水密层8中加入导电金属粉制成。

具体的，除上述紫铜网形式的屏蔽结构7，还可以在水密层8中均匀混入导电金属粉，构成屏蔽结构7，这种形式的屏蔽结构7不占用水密层8的内部空间，且同样可以起到屏蔽外部干扰的效果。

本发明中的水密层8，既要满足防水耐腐蚀特性，又要满足矢量传感器的中性要求，同时还要保证透声性，因而选用浇注型聚氨酯橡胶。采用相关工艺，通过模具硫化处理后形成水密层。

图6是本发明中所实施的具体一例的矢量传感器系统的噪声源贡献分析图，以等效噪声声压级表征。可见，在甚低频范围约10～100hz，总噪声的主要贡献来自耦合噪声；在低频范围约100hz～1000hz，除了jfet噪声电压外，其余部分均对总噪声有所贡献；在谐振频率附近，加速度计的机械热噪声是主要噪声源。根据该结果，针对系统等效自噪声进行优化设计，并制作了本发明的上述实施例。

对该矢量传感器样机进行性能测试，结果参见图7。参照图7a，本发明所研制的矢量传感器的实测等效自噪声在60～1000hz频带内均显著低于knudsen零级海况海洋环境噪声knudsenss0，其中100hz、200hz、500hz和1000hz的等效噪声声压级分别为52.8db、44.2db、31.9db和11.7db，较knudsenss0低了7.8db、11.8db、18.1db和33.2db。该指标优于目前公开文献中报道的矢量传感器等效自噪声。同时，参照图7b，该矢量传感器具有-190db@1khz的声压灵敏度；参照图7c，指向性图呈现偶极子特性，零陷深度约-36.2db。