一种压电式噪声传感器探头的制作方法

本发明涉及一种压电式噪声传感器探头，属于航天传感器技术领域。

背景技术：

美国nasa的一项调查研究表明，发射后的飞行器故障近50％是由发射阶段的振动、冲击和噪声载荷引起的。因此，必须对飞行器在发射及飞行时的外噪声进行测量。测量结果可以为飞行器的故障分析提供依据，用于构建飞行器的健康监测系统，使飞行器的结构设计得到优化。

飞行器在高速飞行过程中会与大气相互作用，在其表面附近会形成湍流边界层，从而在飞行器外表层产生强大的空气脉动压力场，所诱发的气动噪声场是一种在空间上非均匀分布的、在时间上随机分布的、具有宽带频率分量的高声强声场。该声场会在飞行器的内外部产生结构噪声，该噪声声场反作用于飞行器，使飞行器内外产生高声压级噪声的恶劣动力学环境。同时，因飞行器在飞行过程中的空气摩擦和结构振动，噪声参数的测量往往要面临高温振动环境。所以，要求噪声传感器具有高声压级测量、耐高温、抗振动等特点。

噪声传感器一般有电容式、驻极体式、硅压阻式、光纤式、压电式等。其中，电容式噪声传感器应用电路复杂，成本较高，且受飞行器飞行过程中的气压变化影响较大。驻极体式噪声传感器抗温、湿能力较弱、在一些条件下会出现电荷丢失现象，无法在高温环境下工作。硅压阻式噪声传感器在工作温度超过125℃时，由于应变电阻与衬底间的p-n结漏电加剧，导致p-n结失效，使传感器不能满足实际应用需要。光纤式噪声传感器工作温度高，但其内部结构决定冲击和振动环境会对其输出信号的准确性造成较大影响。

现有的压电式噪声传感器的最大工作温度在260°，可测量最大声压级100db左右，存在工作温度范围窄，不适用于更高温的环境，可测最大声压级低的问题，不适用于在更高温及振动等恶劣环境下使用，还存在测量误差大，结构复杂的问题，因此，以上问题亟需解决。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有的压电式噪声传感器存在测量误差大、结构复杂的问题，本发明提供了一种压电式噪声传感器探头。

一种压电式噪声传感器探头，所述噪声传感器探头为全封闭结构，噪声传感器探头包括圆筒形壳体、上盖、下盖、两个敏感芯体组件、基座、螺杆和振膜；

上盖旋拧在圆筒形壳体上部端口的侧壁上，通过振膜对圆筒形壳体的上端面进行密封，且振膜位于上盖下方；上盖上设有多个通孔，该通孔用于传导噪声；

下盖盖合在圆筒形壳体下部端口上，且下盖上设有引线口；

两个敏感芯体组件、基座和螺杆均位于圆筒形壳体内；

基座为圆环形柱体，圆环形柱体的外壁面与圆筒形壳体的内壁面螺纹连接，基座上布设有多个束线孔；

螺杆在竖直方向上贯穿圆环形柱体，并与圆环形柱体的内壁面螺纹连接；

两个敏感芯体组件分别位于基座的上方和下方，并相对于基座镜像设置，两个敏感芯体组件均套在螺杆上，并与螺杆螺纹连接；其中，位于基座上方的敏感芯体组件的上端面挤压振膜，使振膜顶起，且被顶起的振膜与上盖间存在间距；

位于基座上方的敏感芯体组件作为声敏感组件，位于基座下方的敏感芯体组件作为补偿组件；螺杆的顶端面低于声敏感组件的上端面；

外界噪声通过上盖作用到振膜上，振膜在外界噪声作用下的运动使声敏感组件因压电效应产生电荷；

外界振动使声敏感组件和补偿组件因压电效应产生电荷，补偿组件产生的电荷与声敏感组件产生的电荷极性相反，实现补偿组件对声敏感组件在外界振动情况下的补偿。

优选的是，每个敏感芯体组件包括m个压电陶瓷片、m个电极片和盖帽；其中，m个压电陶瓷片、m个电极片和盖帽均为圆环形片体；m为大于或等于2的整数，每个压电陶瓷片两侧的极性不同；所有电极片上均设有电荷引出端；

m个压电陶瓷片由下至上依次为第一至第m个压电陶瓷片，其中，第m个压电陶瓷片上方设有盖帽，盖帽与螺杆螺纹连接；

第一至第m个压电陶瓷片中，任意两个压电陶瓷片之间均设有一个电极片，第m个压电陶瓷片和盖帽之间设有一个电极片，竖直方向上相邻的两个电极片的极性不同；

其中，

第j与第j+1个压电陶瓷片之间的电极片作为正电极片，j为奇数，j＜m；

第i与第i+1个压电陶瓷片之间的电极片作为负电极片，i为偶数，i＜m；

与每个正电极片邻近的压电陶瓷片的相应侧的极性为正极；

与每个负电极片邻近的压电陶瓷片的相应侧的极性为负极；

两个敏感芯体组件上的所有正电极片的电荷引出端通过1号导线同时连接后，作为压电式噪声传感器探头的正极引出端从引线口引出；

两个敏感芯体组件上的所有负电极片的电荷引出端通过2号导线同时连接后，作为压电式噪声传感器探头的负极引出端从引线口引出；

1号导线和2号导线均通过束线孔从基座上方引入到基座下方；

两个敏感芯体组件中的盖帽均远离基座。

优选的是，每个电极片上均设有两个电荷引出端，其中，一个电荷引出端作为备用端。

优选的是，所述的一种压电式噪声传感器探头，还包括法兰，且法兰嵌套在圆筒形壳体的外侧。

优选的是，两个敏感芯体组件的形变方向相反。

优选的是，振膜的厚度为0.5mm至1mm。

优选的是，被顶起的振膜的顶点与上盖间的垂直距离为1.5mm至2mm。

本发明带来的有益效果是：本发明提供了一种可在振动环境下进行噪声探测的噪声传感器探头。由于基座将声敏感组件和补偿组件进行有效隔离，使得补偿组件对外界噪声不敏感，且补偿组件产生的电荷与声敏感组件的敏感方向相同且极性相反，因此，在传感器探头收到加速度信号干扰的过程中，位于基座两侧的声敏感组件和补偿组件同时受压电效应产生电荷，二者产生的电荷相互抵消，从而实现噪声传感器探头不受振动信号干扰，从而提高测量精度。本发明结构简单，便于实现。

本发明提供了一种功耗低、可在高温环境下工作的噪声传感器探头，该探头采用压电原理，工作时无需外部供电，内部无电子元件，降低了噪声传感器探头的功耗；声敏感组件和补偿组件均采用高居里温度的压电陶瓷，且探头结构件采用不锈钢制作，探头内部的电气连接可采用压焊焊接，有效提升了探头的工作温度范围；

本发明所述的压电式噪声传感器探头，可在高冲击、高温及振动等恶劣环境下准确进行噪声测量的问题。

本发明所述的压电式噪声传感器探头主要用于飞行器外表面的噪声参数测量，工作温度范围在-40℃～500℃，可测量最大声压级为180db。本发明可应用于航天传感器技术领域，为飞行器发射及飞行时的外部噪声检测问题提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明所述一种压电式噪声传感器探头的俯视图；

图2是图1的a向视图；

图3是图2的主剖视图；

图4是两个敏感芯体组件4中负电极片4-4的连接关系图；

图5是两个敏感芯体组件4中正电极片4-3的连接关系图；

图6为具有一个电荷引出端的电极片的俯视图；

图7为具有两个电荷引出端的电极片的俯视图；

图8为具有两个电荷引出端的电极片的主视图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种压电式噪声传感器探头，所述噪声传感器探头为全封闭结构，噪声传感器探头包括圆筒形壳体1、上盖2、下盖3、两个敏感芯体组件4、基座5、螺杆6和振膜7；

上盖2旋拧在圆筒形壳体1上部端口的侧壁上，通过振膜7对圆筒形壳体1的上端面进行密封，且振膜7位于上盖2下方；上盖2上设有多个通孔2-1，该通孔2-1用于传导噪声；

下盖3盖合在圆筒形壳体1下部端口上，且下盖3上设有引线口3-1；

两个敏感芯体组件4、基座5和螺杆6均位于圆筒形壳体1内；

基座5为圆环形柱体，圆环形柱体的外壁面与圆筒形壳体1的内壁面螺纹连接，基座5上布设有多个束线孔5-1；

螺杆6在竖直方向上贯穿圆环形柱体，并与圆环形柱体的内壁面螺纹连接；

两个敏感芯体组件4分别位于基座5的上方和下方，并相对于基座5镜像设置，两个敏感芯体组件4均套在螺杆6上，并与螺杆6螺纹连接；其中，位于基座5上方的敏感芯体组件4的上端面挤压振膜7，使振膜7顶起，且被顶起的振膜7与上盖2间存在间距；

位于基座5上方的敏感芯体组件4作为声敏感组件，位于基座5下方的敏感芯体组件4作为补偿组件；螺杆6的顶端面低于声敏感组件的上端面；

外界噪声通过上盖2作用到振膜7上，振膜7在外界噪声作用下的运动使声敏感组件因压电效应产生电荷；

外界振动使声敏感组件和补偿组件因压电效应产生电荷，补偿组件产生的电荷与声敏感组件产生的电荷极性相反，实现补偿组件对声敏感组件在外界振动情况下的补偿。

本实施方式中，两个敏感芯体组件4的结构相同，一个作为声敏感组件，另一个作为补偿组件，由于基座5将声敏感组件和补偿组件进行有效隔离，使得补偿组件对外界噪声不敏感，声敏感组件和补偿组件因压电效应产生电荷时，其自身发生形变，其中，二者形变状态相反，声敏感组件的形变状态为伸长状态，补偿组件的形变状态为缩短状态，故二者因外界振动产生的电荷极性相反，补偿组件由于振动产生的电荷作为补偿电荷用于对声敏感组件由于振动生成的电荷进行补偿后，实现电荷的抵消，从而实现对噪声的精确探测。本发明所述的压电式噪声传感器探头结构简单便于实现。

装配时，声敏感组件的上端面与振膜7存在间距，具体应用时，当声敏感组件因压电效应产生电荷时，发生形变可将振膜7顶起。

应用时，噪声传感器探头内部电气连接均采用压焊方式；

所述下盖3采用氩弧焊焊接的方式与圆筒形壳体1连接，二者材质可均为不锈钢；

上盖2、振膜7材质可均为不锈钢，厚度为0.5mm～1mm。振膜7采用氩弧焊焊接的方式与圆筒形壳体1连接，要求熔深均匀，焊缝应平整、无烧痕、气孔、砂眼、开焊、漏焊、烧通等缺陷，振膜7在焊接后应表面光滑、无斑点、折叠、巢孔、压伤痕迹。

更进一步的，参见图2至图6，每个敏感芯体组件4包括m个压电陶瓷片4-1、m个电极片和盖帽4-2；其中，m个压电陶瓷片4-1、m个电极片和盖帽4-2均为圆环形片体；m为大于或等于2的整数，每个压电陶瓷片4-1两侧的极性不同；所有电极片上均设有电荷引出端；

m个压电陶瓷片4-1由下至上依次为第一至第m个压电陶瓷片4-1，其中，第m个压电陶瓷片4-1上方设有盖帽4-2，盖帽4-2与螺杆6螺纹连接；

第一至第m个压电陶瓷片4-1中，任意两个压电陶瓷片4-1之间均设有一个电极片，第m个压电陶瓷片4-1和盖帽4-2之间设有一个电极片，竖直方向上相邻的两个电极片的极性不同；

其中，

第j与第j+1个压电陶瓷片4-1之间的电极片作为正电极片4-3，j为奇数，j＜m；

第i与第i+1个压电陶瓷片4-1之间的电极片作为负电极片4-4，i为偶数，i＜m；

与每个正电极片4-3邻近的压电陶瓷片4-1的相应侧的极性为正极；

与每个负电极片4-4邻近的压电陶瓷片4-1的相应侧的极性为负极；

两个敏感芯体组件4上的所有正电极片4-3的电荷引出端通过1号导线9同时连接后，作为压电式噪声传感器探头的正极引出端从引线口3-1引出；

两个敏感芯体组件4上的所有负电极片4-4的电荷引出端通过2号导线10同时连接后，作为压电式噪声传感器探头的负极引出端从引线口3-1引出；

1号导线9和2号导线10均通过束线孔5-1从基座5上方引入到基座5下方；

两个敏感芯体组件4中的盖帽4-2均远离基座5。

本优选实施方式中，以第一至第三个压电陶瓷片4-1之间的电极片为例进行说明，其中，第一和第二个压电陶瓷片4-1之间的电极片作为正电极片4-3，第二和第三个压电陶瓷片4-1之间的电极片作为负电极片4-4；以此类推，竖直方向上相邻的两个电极片的极性不同。

应用时，电极和导线用于将电荷引出至高温同轴电缆，经过后端电路采集处理，实现测量噪声信号的目的。

所述电极在装配后，按正电极片4-3与正电极片4-3间进行压焊，负电极片4-4与负电极片4-4间进行压焊，电极材质可为不锈钢。

导线材质为不锈钢，与电极片焊接处采用压焊焊接。

更进一步的，具体参见图7和图8，每个电极片上均设有两个电荷引出端，其中，一个电荷引出端作为备用端。

本优选实施方式中，每个电极片上均设有两个电荷引出端，其中，一个电荷引出端作为备用端，另一个用于正常接线，压电式噪声传感器探头进行探测工作时，可将备用端进行固定，避免因振动的原因使备用端触碰振膜7。

应用时，正电极片4-3的两个荷引出端和负电极片4-4的两个引出端错列分布，避免导线勾连，本发明图3至图5中的电极片均为两个电荷引出端。

具体使用时，具备一个电荷引出端的电极片结构具体参见图6。

更进一步的，具体参见图1至3所述的一种压电式噪声传感器探头还包括法兰8，且法兰8嵌套在圆筒形壳体1的外侧。

本优选实施方式中，通过增设法兰8，便于将压电式噪声传感器探头安装在相应外设上。法兰8可为三角形法兰，结构简单便于实现，安装稳定。

所述法兰8和圆筒形壳体1为一体式设计，二者材质为可为不锈钢；

更进一步的，两个敏感芯体组件4的形变方向相反。

本优选实施方式中，由于两个敏感芯体组件4的形变方向相反，故两个敏感芯体组件4因噪声影响产生的电荷极性相反，可实现补偿功能。

更进一步的，振膜7的厚度为0.5mm至1mm。

更进一步的，被顶起的振膜7的顶点与上盖2间的垂直距离为1.5mm至2mm。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。