一種水中爆炸壓力測量傳感器的製作方法

2023-09-21 06:45:40 1

專利名稱：一種水中爆炸壓力測量傳感器的製作方法
一種水中爆炸壓力測量傳感器技術領域
本發明屬於傳感器技術領域，涉及一種水中爆炸衝擊波測量的壓力傳感器，主要 用於複雜水域環境下爆炸衝擊波和氣泡能的測量，為水中爆炸現象研究提供試驗傳感器。
背景技術：
水中爆炸試驗引起了越來越多的人們的重視。為了深入了解水下爆炸造成的破 壞效應，對爆炸產生的衝擊波和氣泡能的測量是關鍵。對應用於水中爆炸壓力測量的傳感 器，特別是阻抗要求很高的壓電型壓力傳感器，信號微弱，如果受到潮氣的侵蝕，阻抗下降， 電荷會迅速洩露而引入測量誤差。目前用於水下爆炸壓力測量的傳感器多是以電氣石晶體 為壓電轉換元件，用柔性外殼以及內裝有液體的筆形結構形式，如美國壓電有限公司(簡稱 PCB公司)的138A型傳感器。該類傳感器以電氣石晶體為壓電轉換元件，用柔性外殼以及 內裝有液體的筆形結構形式，主要由壓電晶體、放大電路和信號輸出電纜組成。其中壓電晶 體裝在一個塑料管裡，塑料管內充入矽油。壓電晶體與放大電路用導線連接，放大電路放置 在一個金屬的殼體內，用環氧樹脂灌封。放大電路的輸出端接低噪聲電纜輸出。用環氧樹 脂包覆的壓電晶體用金屬網套住，金屬網的另一端與殼體點焊連接。環氧樹脂在潮溼的環 境中，絕緣阻抗下降，使放大器輸入電路的放電時間常數變小，將影響傳感器的低頻響應， 使測試波形變窄、負壓增加。所以，包覆後的晶體組件需要放進裝有高絕緣阻抗的矽油的軟 管裡。這種結構存在著一、塑料軟管在水中爆炸環境下，容易發生微滲漏，使傳感器的絕緣阻抗降低，影響測 試結果；嚴重的會被爆炸產生的爆炸產物擊中，發生破裂進水而短路，造成傳感器的損壞。
二、由於當衝擊波在水中傳播時，在經過兩種介質時，只有當兩種介質的聲阻抗 (聲阻抗=P Xe，其中P為介質密度，C為聲音在介質中的聲速)相同時，衝擊波從一種介質 傳到另一種介質中，才不會受到影響，也就是壓力不會衰減。晶體組件外層有金屬網、矽油 和塑料軟管三種材料包裹，帶來三種材料之間的聲阻抗匹配關係。如果其中的兩種材料聲 阻抗不匹配，就會影響壓力信號的測試結果。同時，由於水中壓力傳感器的輸出電纜都比較 長，電纜會受到自重、水或爆炸衝擊波的衝擊，使連接強度不高的電纜根部很容易鬆動，影 響連接的可靠性。
三、PCB公司的138A型傳感器價格昂貴，每枚售價4. 3萬元人民幣，使得試驗成本 增加。發明內容
針對上述現有技術存在的缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種改進的水中 爆炸壓力測量傳感器，該傳感器採用與水聲阻抗匹配的、固化後呈高絕緣阻抗的矽橡膠材 料封裝晶體組件，用摻有粉末狀石墨材料的矽橡膠塗抹在封裝晶體組件後的柱體外層，以 屏蔽噪聲，該傳感器的結構簡單，成本低，又不易被爆炸產物擊壞，輸出電纜連接可靠，可用 於複雜環境水中的爆炸壓力測量。
為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案一種水中爆炸壓力測量傳感器，主要包括壓電晶體組件和放大電路，放大電路放置在 殼體中，壓電晶體組件通過連接導線和放大電路連接，放大電路連接信號輸出電纜，其特徵 在於所述的壓電晶體組件由環氧樹脂包覆封裝在透聲矽橡膠內部，透聲矽橡膠的外表面塗覆有石墨層；所述的放大電路由絕緣帶包覆，由彈性矽橡膠封裝在殼體內部，在殼體的一端連接有 頂帽，信號輸出電纜穿過頂帽與放大電路連接，在殼體還有固定信號輸出電纜的螺釘。
本發明與傳統的壓電型壓力傳感器相比，帶來的技術效果體現在以下幾個方面1)用透聲矽橡膠封裝傳感器的壓電晶體組件，克服了傳感器因液體封裝方式易被爆炸 產物擊破軟管進水，造成傳感器的短路損壞的難題；提高了傳感器抵抗破壞的能力，增強了 傳感器適應複雜水下爆炸環境的能力；2)傳感器的晶體組件使用了粉末狀的石墨層作為抗幹擾屏蔽材料，用無形代替了有 形，優化了結構，又省略了現有的用於套裝壓電晶體組件的金屬屏蔽網，以及減少了金屬屏 蔽網和殼體焊接的工藝步驟；3)在殼體內用彈性矽橡膠封裝放大電路，使放大電路在避免爆炸衝擊波作用的同時， 又可防止被水侵蝕；4)殼體上的螺釘設置，即增加了殼體與信號輸出輸出電纜的連接強度，同時也保證了 信號輸出電纜的屏蔽層與殼體可靠連接，提高了傳感器抗電磁幹擾的能力和測試的可靠 性；5)本發明的水中爆炸壓力測量傳感器可以用於需要防水、透聲環境和高絕緣阻抗環境 下的物體封裝，具有較廣闊的應用前景；6)目前進口的同類傳感器價格每枚高達4.3萬元人民幣，本發明的水中爆炸壓力測量 傳感器製作成本僅為進口同類產品價格的1/5 1/10，由於進行水中爆炸試驗需要使用一 定數量的敏感部件，而且因其在環境條件惡劣使用，爆炸試驗中敏感部件又是易損件，採用 本發明可以降低大幅度實驗費用，其經濟效益是可觀的。


圖1是本發明的水中爆炸壓力測量傳感器的整體結構示意圖； 圖2是圖1中I局部放大圖；圖3是圖2的俯視圖。
圖4、圖5分別是採用本發明的水中爆炸壓力測量傳感器在不同深度水中測得的 壓力波形圖。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
具體實施方式
參見附圖廣3，本發明的水中爆炸壓力測量傳感器，主要包括壓電晶體組件1和放 大電路5，壓電晶體組件1通過連接導線2和放大電路5連接，放大電路5連接信號輸出電 纜11。
該傳感器主要有兩處封裝，分別使用不影響各部件功能且非易損的材料進行封 裝；即壓電晶體組件1由環氧樹脂1-3包覆由封裝在透聲矽橡膠3內部，透聲矽橡膠3的外 表面塗覆有石墨層4 ；壓電晶體組件的這種封裝其優點是一、用透聲矽橡膠封裝壓電晶體組件，當遇到 爆炸產物打擊到矽橡膠時，傳感器不會發生滲水受潮而降低壓電晶體絕緣阻抗的情況； 只有當爆炸產物直接打擊到壓電晶體時，傳感器才會被損壞。由於壓電晶體的體積為 Φ 3mmX 0. 7mm,只是柔性管體積Φ 12mmX IOOmm的0. 175%，也就是說，壓電晶體被爆炸產物 直接打擊到機率非常小，可極大地保證測試數據的獲得。因此，用透聲橡膠封裝壓電晶體組 件是一種較為理想的方案。二、為了減少壓電晶體組件封裝的種類，只用一種與水聲阻抗 匹配的材料封裝，減少因通過不同介質產生對壓力信號傳播的影響，極大提高了測試精度。 三、為了防止壓電晶體組件產生的噪聲的影響，採用石墨塗層與透聲矽橡膠封裝壓電晶體 組件，不會在壓電晶體組件形成其它有形的(如金屬網)物質，不會對信號產生影響，即保護 內部結構，又起到屏蔽噪聲的作用，同時簡化了傳感器的結構和工藝。
用於晶體組件1封裝的透聲矽橡膠，使用與水的聲阻抗相近、有彈性、易於操作的 矽橡膠、引發劑和促進劑調配而成。對按一定比例調配的無色、透明的矽橡膠漿液經過抽真 空，清除氣泡處理後封裝壓電晶體組件1，再經過加溫固化處理，達到絕緣阻抗和頻率響應 的要求，封裝的壓電晶體組件1的柱體尺寸為外徑Φ 10、長度為70mm。特別是封裝晶體組 件的透明的透聲矽橡膠，很容易檢驗出封裝的內部有無氣泡，且固化後形成硬的彈性固體， 不僅絕緣阻抗高，其特性阻抗與水的聲阻抗匹配。
放大電路5由絕緣帶6包覆，由彈性矽橡膠8封裝在殼體7內部。彈性矽橡膠8 的目的是吸收強衝擊波，保護放大電路免受破壞，同時又可隔離空氣和水的進入，滿足密封 要求；絕緣帶6包覆的作用一是絕緣，避免放大電路5與殼體7接觸，二是經過包覆和灌封 矽橡膠之後，放大電路5周圍可留有空間，使得通過的衝擊波在經過空氣層時發生反射，而 不是直接作用在放大電路5上，進一步保護了放大電路5。
在殼體7的一端連接有頂帽10，低噪聲輸出電纜11穿過頂帽10與放大電路5連 接，在殼體7還有固定輸出低噪聲電纜11的螺釘9。
用螺釘9緊固輸出電纜11端部的銅網屏蔽層，來增加輸出電纜11和殼體7的連 接強度，同時也是保證輸出電纜11的銅網屏蔽層與殼體7可靠的連接，可提高傳感器工作 的可靠性和抗電磁幹擾能力。
以下是發明人給出的實施例 1、壓電晶體組件製備壓電晶體組件由晶片1-1，集電極1-2和連接導線2組成，製作時，將晶片1-1切割成 直徑3mm，厚0. 7mm的圓片，在晶片1_2兩個表面均勻地濺射上導電材料銀或鎳，形成集電 極1-2，但晶片1-1側面不能濺射上導電材料，以保證傳感器的絕緣性能。根據晶片1-1表 面的正負極性焊接兩根不同顏色的導線，以示區別正負極。用絕緣的環氧樹脂3將晶片1-1 包覆，環氧樹脂3不要太厚，固化後以備後用。
2、電路封裝本實施例中，輸出電纜11選擇低噪聲電纜。
將低噪聲電纜11的頭部剝開2cm長度，剝開銅網屏蔽層，芯線從頂帽10細端的內 孔穿出，銅網屏蔽層穿過頂帽10上的用於放置M3螺釘9的螺孔，銅網屏蔽層在螺孔外要留 有一定的長度，以便再次穿出殼體7的螺紋孔；將放大電路5的輸出端與低噪聲電纜11的 輸出端的芯線以適中的長度按極性連接，之後在頂帽10內灌充彈性矽橡膠8，這時要使充 入頂帽內的彈性矽橡膠8從頂帽10後部的內孔和螺孔溢出，以確保傳感器輸出低噪聲電纜 11的密封要求，但螺孔處的溢出不要太多，以和外圓平齊為好，然後放置一段時間等待固 化。
低噪聲電纜11和頂帽10固化後，用絕緣帶6包裹放大電路5，但要露出放大電路 5上的輸入端焊點；將製備好的晶體組件1的晶片1-1、集電極1-2用連接導線2準備和放 大電路5的輸入端連接。將晶片1-1、集電極1-2的連接導線2從殼體7的前端穿出，並按 正、負極性與放大電路5輸入端的正、負端連接；然後在殼體7內充入彈性矽橡膠8，再把裝 有放大電路5和低噪聲電纜11的頂帽10整體裝入殼體7內，把低噪聲電纜11的屏蔽網從 殼體7的M3螺孔穿出散開並均勻分散在螺孔周邊，擰入M3螺釘9，保證頂帽10和殼體7固 聯，保證低噪聲電纜11的銅網屏蔽層和殼體7接連，同樣充入的彈性矽橡膠8要從殼體的 前端和M3螺孔有溢出，之後放置等待固化，也可以進行加溫固化，縮短固化時間。
螺釘9的作用是保證頂帽10不被強大的衝擊波震開，增加低噪聲耐輻射電纜11 與殼體7的連接強度，又保證了低噪聲耐輻射的銅網屏蔽層與殼體7的可靠連接。
3、壓電晶體組件封裝當殼體7內封裝放大電路5的彈性矽橡膠8固化後，開始準備封裝壓電晶體組件1。具 體做法是用一個內徑Φ 10、長度為IOOmm的塑料套管套在殼體前端的階梯處，將壓電晶體 組件1套在其中，然後配製透聲矽橡膠3。透聲矽橡膠3用天馬集團常州市建材二五三廠 製造的不飽和聚酯樹脂天馬牌ΤΜ79- III矽橡膠、天馬集團常州市天鵬化工有限公司製造的 引發劑L和促進劑El按重量IOOg 4g 20滴(滴管20滴)的比例調配成透聲矽橡膠漿 液，將調配好的透聲矽橡膠漿液抽真空清除氣泡，然後緩慢地倒入塑料套管內，使透聲矽橡 膠漿液沒過晶片IOmm至15mm高度，靜置一段時間，檢驗沒有氣泡存在後，加溫到60°C烘乾 8小時，去掉塑料套管即可；以後連續重複進行5天的加溫烘乾，使絕緣阻抗達到IO12 Ω以 上；透聲矽橡膠3封裝後，在矽橡膠3的外表面塗覆石墨層4，石墨層4用不飽和聚79- III 矽橡膠、促進劑El和引發劑L調配成漿液，在漿液裡加入適量的石墨攪拌均勻，塗覆在柱體 狀的透聲矽橡膠3表面，之後連續加溫烘乾5天，即成為石墨層。
經申請人實驗表明，採用本發明的水中爆炸壓力測量傳感器，完全能夠滿足水中 爆炸壓力測量，不會對信號產生影響，可提高傳感器工作的可靠性。
其主要性能見下表。
水中爆炸壓力測量傳感器主要性能表
權利要求
1.一種水中爆炸壓力測量傳感器，主要包括壓電晶體組件(1)和放大電路(5)，放大電 路(5)放置在殼體(7)中，壓電晶體組件(1)通過連接導線(2)和放大電路(5)連接，放大 電路(5 )連接信號輸出電纜(11)，其特徵在於所述的壓電晶體組件(1)由環氧樹脂(1 -3 )包覆封裝在透聲矽橡膠(3 )內部，透聲矽橡 膠(3)的外表面塗覆有石墨層(4)；所述的放大電路(5)由絕緣帶(6)包覆，由彈性矽橡膠(8)封裝在殼體(7)內部，在殼 體(7)的一端連接有頂帽(10)，信號輸出電纜(11)穿過頂帽(10)與放大電路(5)連接，在 殼體(7 )還有固定信號輸出電纜(11)的螺釘(9 )。
2.如權利要求1所述的水中爆炸壓力測量傳感器，其特徵在於，所述的透聲矽橡膠(3) 採用矽橡膠、引發劑和促進劑調配而成。
全文摘要
本發明公開了一種水中爆炸壓力測量傳感器，主要包括壓電晶體組件和放大電路，放大電路放置在殼體中，壓電晶體組件通過連接導線和放大電路連接，放大電路連接信號輸出電纜，壓電晶體組件由環氧樹脂包覆封裝在透聲矽橡膠內部，透聲矽橡膠的外表面塗覆有石墨層；放大電路由絕緣帶包覆，由彈性矽橡膠封裝在殼體內部，在殼體的一端連接有頂帽，輸出電纜穿過頂帽與放大電路連接，在殼體上還有固定信號輸出電纜的螺釘。該傳感器的結構簡單，又不易被爆炸產物擊壞，輸出電纜連接可靠，可用於複雜環境水中的爆炸壓力測量。
文檔編號G01L9/08GK102032969SQ20101053351
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者姬建榮, 壽光裕, 李芝絨, 殷俊蘭, 王國慶, 王勝強, 王輝, 蘇健軍, 閆瀟敏, 陳君 申請人:西安近代化學研究所