一种航天飞行器噪声测量用驻极体噪声传感器

摘要

本发明提出了一种航天飞行器噪声测量用驻极体噪声传感器，主要由传声器、阻抗匹配器组成。传声器为驻极体电容式传声器；阻抗匹配器主要由温度补偿电阻、高值电阻、高阻抗复合管、供电与信号输出接插件以及结构件构成，阻抗匹配器的作用是对传声器输出的信号进行阻抗变换。本发明使用温度范围广，抗损坏能力强，具有较小的振动灵敏度，可用于测量高声强噪声，适合于不同高度等各种环境条件。本发明主要用于测量飞行器舱内或其它恶劣环境下的噪声参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天飞行器噪声测量用驻极体噪声传感器，主要用于测量飞行器舱内或其它恶劣环境下的噪声参数，属于航天传感器领域。

背景技术

飞行器在飞行过程中因发动机工作、级间分离等激励引起结构的振动，强烈而持续的振动会产生较大的噪声。为了确定弹上噪声环境，以便提供飞行器结构设计的依据和仪器设备试验的条件，必须对弹上噪声环境进行测量，测量结果也是进行故障分析的重要依据。噪声的本质是振动，在某些难以直接进行振动测量的场合，通过噪声测量可以反映目标的振动状态。

飞行器在飞行过程中会产生较大的噪声，被测噪声声压级往往可达170dB，同时因飞行过程中气压变化、温度变化、振动冲击量级大等原因，噪声参数的测量面临低气压、大冲击振动和温度变化范围大等恶劣环境，因此常规的噪声传感器不能满足飞行器噪声测量需求。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的上述不足，提供一种航天飞行器噪声测量用驻极体噪声传感器，用于测量航天上等场合的高声强噪声，测量声压级高、受温度气压影响小、抗损坏能力强，适用各种恶劣环境。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种航天飞行器噪声测量用驻极体噪声传感器，包括：传声器、阻抗匹配器、安装支架、卡环及薄膜；传声器又包括端盖保护栅、振膜、背极板以及传声器壳体；

传声器与阻抗匹配器连接，阻抗匹配器外部包裹薄膜后套有卡环，阻抗匹配器卡在安装支架中且通过卡环及薄膜进行绝缘和紧固；传声器壳体的端部安装有端盖保护栅，用于保护安装在传声器壳体内部的传声器振膜，传声器壳体内部还装有背极板，用于与振膜配合形成电容，敏感噪声信号。

所述背极板涂有驻极体材料，经过极化后带有电荷，通过调整极化电压进而调整声压灵敏度。

端盖保护栅上设置有多个开孔，用于令噪声不受影响的穿过。

传声器壳体的侧壁上设置有均压孔，使传声器壳体内外气压保持一致。

薄膜采用聚四氟乙烯材料，卡环采用铝箔材料通过绝缘阳极化制作。

所述阻抗匹配器包括电气部分和结构部分，电气部分用于将传声器输出的信号进行阻抗变换，输出电压信号，结构部分用于对电气部分的固定和绝缘。

所述电气部分包括导电弹簧、导电杆、热敏电阻、高值电阻和高阻抗复合管；

导电杆在导电弹簧的推力作用下与传声器中的背极板电连接，传声器输出的信号依次通过导电杆和用于温度补偿的热敏电阻之后送入高阻抗复合管，通过高阻抗复合管进行阻抗变换后输出，高阻抗复合管的输入端通过高值电阻接地。

所述结构部分包括上绝缘座、下绝缘座、尾座、尾盖、匹配器壳体、焊片、绝缘片、聚四氟乙烯绝缘座薄膜、生料带、导电片、屏蔽套、绝缘套；

上绝缘座和下绝缘座设置在匹配器壳体内，热敏电阻和高值电阻均固定在上绝缘座内，导电杆安装在上绝缘座上，高阻抗复合管固定在下绝缘座中，尾盖固定在匹配器壳体一端，令尾座与下绝缘座接触，从而实现上绝缘座、下绝缘座和尾座之间的紧固，焊片固定在尾座上用于高阻抗复合管接地，绝缘片用于隔离高阻抗复合管和尾座，绝缘座薄膜和生料带用于隔离高阻抗复合管和匹配器壳体，高值电阻通过导电片接地，屏蔽套套在上绝缘座外部用于屏蔽干扰，绝缘套用于隔离屏蔽套和匹配器壳体。

绝缘座薄膜采用聚四氟乙烯材料。尾座与尾盖间隙处涂环氧胶。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用浮地的安装支架安装，特别适用于飞行器噪声测量。该传感器根据飞行器应用的特点，采取传感器同被测点安装处机械上浮的形式，以防地回路干扰；该传感器采用安装支架安装，适用于飞行器舱内噪声测量同时本发明是一种适应高声压级测量的噪声传感器，可根据被测参数选择不同的声压灵敏度，最大可测声压级达到170dB。

2、本发明是一种适应高低温环境的噪声传感器。该传感器通过元器件选用及温度补偿功能等措施，使用温度范围广，可在-40℃～+80℃的温度范围环境下工作并且具有较高的测量精度。

3、本发明是一种抗损坏能力强的噪声传感器。该传感器无印制板，元器件均安装在结构件内，安装稳固可靠，阻抗匹配器安装在安装支架的开槽内，通过螺钉固定，安装稳固。传感器可抗12000g的大冲击，该传感器可工作在力学环境恶劣的噪声测量场合。

4、本发明是一种使用范围广的噪声传感器。该传感器设计有均压孔，可快速使传声器内外气压平衡，可保证在不同气压环境下的测量精度，传感器对高度变化、磁等环境变化不敏感，适用于不同工作环境，使用范围广。

5、本发明是一种振动灵敏度低的噪声传感器。传感器的原理决定了传感器对振动敏感小，具有较小振动灵敏度，可在在振动、冲击环境下使用。

附图说明

图1为本发明驻极体噪声传感器结构示意图；

图2为本发明传声器示意图；

图3为本发阻抗匹配器结构示意图；

图4为阻抗匹配器电路原理图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，本发明提出了一种航天飞行器噪声测量用驻极体噪声传感器，包括：传声器1、阻抗匹配器2、安装支架3、卡环4及薄膜6；传声器1又包括端盖保护栅7、振膜8、背极板9以及传声器壳体41，如图2所示；

传声器1与阻抗匹配器2连接，阻抗匹配器2外部包裹薄膜6后套有卡环4，阻抗匹配器2卡在安装支架3中且通过卡环4及薄膜6进行绝缘和紧固，安装支架3与阻抗匹配器2之间绝缘，可以满足驻极体噪声传感器在航天飞行器上浮地安装，以减小外界电干扰信号对被测信号的干扰；传声器壳体41的端部安装有端盖保护栅7，用于保护安装在传声器壳体41内部的传声器振膜8，传声器壳体41内部还装有背极板9，用于与振膜8配合形成电容，敏感噪声信号。

背极板9涂有驻极体材料，经过极化后带有电荷，通过调整极化电压进而调整声压灵敏度，不同的声压灵敏度适用于不同声压级噪声的测量。

如图2所示，振动膜片8采用镀覆-脱胎的工艺成型，厚度小，端盖保护栅7上设置有多个开孔，用于令噪声不受影响的穿过。

传声器壳体41的侧壁上设置有均压孔，使传声器壳体41内外气压保持一致，内外气压的一致，可以保证驻极体噪声传感器在较高的飞行高度，噪声测量不受低气压环境影响。

薄膜6采用聚四氟乙烯材料，卡环4采用铝箔材料通过绝缘阳极化制作。

如图3、4所示，阻抗匹配器2包括电气部分和结构部分，电气部分用于将传声器1输出的信号进行阻抗变换，输出电压信号，结构部分用于对电气部分的固定和绝缘。

电气部分包括导电弹簧10、导电杆11、热敏电阻14、高值电阻15和高阻抗复合管16；

导电杆11在导电弹簧10的推力作用下与传声器1中的背极板9电连接，传声器1输出的信号依次通过导电杆11和用于温度补偿的热敏电阻14之后送入高阻抗复合管16，通过高阻抗复合管16进行阻抗变换后输出，高阻抗复合管16的输入端通过高值电阻15接地。

结构部分包括上绝缘座12、下绝缘座13、尾座17、尾盖19、匹配器壳体20、焊片22、绝缘片25、聚四氟乙烯绝缘座薄膜26、生料带27、导电片29、屏蔽套30、绝缘套31；

上绝缘座12和下绝缘座13设置在匹配器壳体20内，热敏电阻14和高值电阻15均固定在上绝缘座12内，导电杆11安装在上绝缘座12上，高阻抗复合管16固定在下绝缘座13中，尾盖19固定在匹配器壳体20一端，令尾座17与下绝缘座13接触，从而实现上绝缘座12、下绝缘座13和尾座17之间的紧固，焊片22固定在尾座17上用于高阻抗复合管16接地，绝缘片25用于隔离高阻抗复合管16和尾座17，绝缘座薄膜26和生料带27用于隔离高阻抗复合管16和匹配器壳体20，高值电阻15通过导电片29接地，屏蔽套30套在上绝缘座12外部用于屏蔽干扰，绝缘套31用于隔离屏蔽套30和匹配器壳体20。绝缘座薄膜26采用聚四氟乙烯材料。尾座17与尾盖19间隙处涂环氧胶。

工作原理说明：

背极板9上涂覆有驻极体材料，振动膜片8与背极板9构成了一个电容，当声压作用于振膜上，振膜产生微小位移，背极板与振膜间距发生变化，其电容值也随之改变。

电容振膜位移x与振膜感受到的加速度a关系如式1，

式1中，ω_n为系统固有频率，加速度a与声压的关系如式2，

式2中，p为作用在振膜上的声压；S为振膜面积；m为振膜质量，因此有，

由式3可以看出，位移变化量x与声压p成正比关系。

C₀为极板间初始电容，d₀为极板间初始距离，当x<<d₀时，由平板电容公式可以得到式4，电容变化量ΔC与声压p成正比。

驻极体材料所带电荷为q，振膜与背极板间的初始电压U₀与电路中初始电容C₀的关系见式5，

q＝C₀U₀>

电荷q为定值，因此有式6，

C₀U₀＝(C₀+ΔC)(U₀+ΔU)>

因为ΔC<<C₀，可得式7，

由式7可知，传声器的电压变化值ΔU与电容变化值ΔC成正比关系，因此ΔU与声压p成正比关系。传声器在动态测量时，传声器的输出电压即电压的变化量，声压灵敏度A为单位声压下的输出电压，见式8。

因此形状固定的传声器，声压灵敏度仅取决于所带电荷q，可通过调整驻极体材料所带电荷改变声压灵敏度。

实施例：

驻极体噪声传感器所使用的热敏电阻14选用MF17型负温度热敏电阻，高值电阻15选用RI42电阻，高阻抗复合管16选用TD480C，匹配器壳体20、尾座17、尾盖19均选用不锈钢材料制成。导电弹簧10使用铍青铜丝制成，成型后调制处理，表面镀金，具有良好的机械性能、可焊接性，同时具有良好的导电性能，导电弹簧与导电杆11锡焊连接。上绝缘座12、下绝缘座13均采用聚四氟乙烯制成，上绝缘座12有两个安装孔，分别用于安装热敏电阻14与高值电阻15，下绝缘座13用于安装高阻抗复合管16，按照电路原理图，通过锡焊的方式将各个器件焊接连接，导电弹簧与热敏电阻连接，信号线通过AF-1导线23与插座芯线连接，信号地线通过AF-1导线焊接在焊片上与插座外壳连接，插座安装在尾座上，下绝缘座焊点处缠绕生料带27以及聚四氟乙烯薄膜绝缘26，上绝缘座12、下绝缘座13、导电弹簧10、导电片29以及尾座17组成整体，安装在匹配器壳体内，尾座17与尾盖19间隙处涂少量环氧胶防止转动，尾盖通过螺纹与壳体20固定。

安装支架3采用机械浮地结构。安装支架使用铝合金加工而成，安装支架与匹配器之间通过绝缘阳极化的铝制卡环4以及聚四氟乙烯薄膜6实现绝缘；匹配器与安装支架通过螺钉5固定，螺钉涂胶防松以适应力学环境；安装支架上的两个安装孔用传感器安装。

驻极体噪声传感器可满足在12000g量级的冲击环境下工作，在所使用环境条件的全温区，声压灵敏度变化不超过2.5dB，频响优于3dB，幅值线性度小于2％。