一种二维仿生矢量水听器制造技术

本发明专利技术提供了一种二维仿生矢量水听器，包括一个纤毛‑悬臂梁微结构，所述纤毛‑悬臂梁微结构包括一个正方形衬底、四根悬臂梁和一根纤毛；所述衬底的中心位置设有质量块，四个所述悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与所述衬底内壁垂直连接，相邻两个所述悬臂梁之间呈垂直结构；所述纤毛一端与所述质量块连接，所述纤毛与所述悬臂梁之间呈垂直结构；四根所述悬臂梁上分别刻有非均匀周期反射光栅。本发明专利技术提供的水听器可以实现全光检测，有效地降低成本并提高检测精度；本发明专利技术所采用的非均匀周期反射光栅使用PMMA或PLA等耐腐蚀材料，避免透声膜、硅油的封装保护，从而可以进一步的提高检测的精度。

A Two-Dimensional Bionic Vector Hydrophone

【技术实现步骤摘要】
一种二维仿生矢量水听器
本专利技术涉及矢量水听器
，尤其涉及一种二维仿生矢量水听器。
技术介绍
水听器可以用基于声波在水中良好的传播特性，探测远距离的水下目标，使用声纳，可以完成水下目标的探测。现有的基于MEMS技术的矢量水听器由于其基本工作原理，通过使用压敏电阻等进而通过电学量检测，导致其在成本，在精度上存在着一定的不足。如公开号为CN104062632A的中国专利公开了一种四纤毛仿生MEMS矢量水声传感器微结构，包括正方形框架和架设于所述正方形框架中央的“井”字形悬梁臂，所述“井”字形悬梁臂的各段梁由宽段和对称设置于所述宽段两侧的窄段组成，所述窄段上分别设置有阻值相等的压敏电阻，所述压敏电阻共形成两组惠斯通全桥，所述两组惠斯通全桥分别测量两个相互垂直方向上的水生信号，各个正方形连接体上均固定的设置有垂直纤毛。公开号为CN201210557743.X的中国专利公开了一种四元列阵MEMS矢量水听器微结构，包括正方形衬底，正方形衬底上刻蚀有四个十字形悬臂梁，每个十字形悬臂梁中心固定有微型柱状体，十字形悬臂梁的梁臂上设有压敏电阻，四个十字形悬臂梁相对于正方形衬底之间的角度各不相同，分别为0º、30º、45º和60º。本专利技术微结构采用MEMS工艺制成，具有高灵敏度、低功耗、微体积的优点。与现有单矢量水听器相比，利用本专利技术微结构制作的水听器定向精度高、空间分辨率力强，可有效的消除了左右舷模糊问题。由于光纤本身的物理特性以及光纤水听器的光干涉工作原理决定了光纤水听器具有一些优于传统压电水听器的特性：灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、可提高系统的水下可靠性、频率响应范围宽和可结合时分复用及频分复用技术组成大规模阵列。但现有的水听器基本都是以压敏、压电式水听器为主，利用惠斯通电桥得到差分信号，里面包含电路结构，但抗电磁干扰能力和空间指向性差，定向精度不高，空间分辨率不够，难以检测微弱信号。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种二维仿生矢量水听器，包括一个纤毛-悬臂梁微结构，所述纤毛-悬臂梁微结构包括一个正方形衬底、四根悬臂梁和一根纤毛；所述衬底的中心位置设有质量块，四个所述悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与所述衬底内壁垂直连接，相邻两个所述悬臂梁之间呈垂直结构；所述纤毛一端与所述质量块连接，所述纤毛与所述悬臂梁之间呈垂直结构。其中，四根所述悬臂梁上分别刻有非均匀周期反射光栅。其中，相邻两根所述悬臂梁上分别刻有非均匀周期反射光栅。其中，所述光栅的长度X1为1-2mm。优选地，所述光栅的长度X1为1.1mm，1.2mm，1.3mm，1.4mm，1.5mm，1.6mm，1.7mm，1.8mm，1.9mm。其中，所述光栅的宽度X2为0.1-0.3mm。优选地，所述光栅的宽度X2为0.15mm，0.2mm，0.25mm。其中，所述衬底、所述悬臂梁、所述纤毛、所述质量块和所述光栅均采用耐腐蚀材料。其中，所述的耐腐蚀材料为PMMA材料或PLA材料中的任意一种。其中，所述纤毛-悬臂梁微结构还设有入射导光光纤和出射导光光纤，所述入射导光光纤和所述出射导光光纤设置在所述悬臂梁上靠近所述光栅的位置，所述入射导光光纤与光源连接，所述出射导光光纤与信号处理模块连接；所述光源发出的光经过所述入射导光光纤，通过耦合器耦合后近似垂直照射在所述光栅上，再近似垂直反射后通过所述出射导光光纤传输到所述信号处理模块。其中，所述水听器的声波信号检测方法为：在悬臂梁上建立y坐标系，与所述y方向垂直的方向作为x方向；当无信号时，纤毛保持平衡，处于平衡位置，两侧光栅周期不变，反射光光强不变；当有声波信号传来时，纤毛受迫震动，造成对应悬臂梁形变，进而引起刻于悬臂梁上的光栅周期发生变化，纤毛偏向一侧，该侧光栅周期相较与初始情况减小，光强增大，反方向光栅周期相较于初始情况增大，光强减小；通过与标准水听器标定，测出灵敏度，即可由光强信号还原一个方向上的水声信号；xy两个方向上响应原理相同，即可测得二维方向上的信号。本专利技术的原理：当声波来临时，纤毛会拾取声波的振动，该振动会使由四根悬臂梁组成的十字梁处弯曲变形，在该激励的作用下带动支撑结构做周期性运动，该运动以力矩的形式传递四个刻有非均匀周期反射光栅的悬臂梁，从而导致刻在应力集中点的光栅周期随之改变，通过非均匀周期光栅相关理论分析，和通过检测反射光栅的反射光光强变化，再将光信号转变为电信号完成了声信号到电信号的转变，最后通过对电信号的分析处理得到声场矢量的测定。纤毛在一定程度上反映出该处声场的矢量特性，当纤毛密度与水介质密度相等时，拾振单元可以跟随水质点的运动状态。设水质点振速为ν，俯角为α，方位角为：νx=νcossinα，νy=νcossinα。通过检测水听器拾振单元的运动状态可检测出声场传播特性，光强可以通过封装的光敏电阻等光强检测仪器进行检测，由光强反映出纤毛偏移程度，通过分析可知偏移与水声场质点振速具有相关性，再通过对检测到的两路光强信号还原，可以分别还原xy两个正交方向的声场信号，对两路正交信号矢量合成，还原完整的声场信号。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的二维仿生矢量水听器与现有技术中的水听器相比，具有以下优点：1、本专利技术通过设置纤毛-悬臂梁结构，通过非均匀光栅周期的改变，检测反射光光强的变化，再将光信号转变为电信号完成由声信号到电信号的转变，从而实现全光检测，有效地降低成本并提高检测精度；2、本专利技术所采用的信号采集处理方式不同于现有结构的信号采集处理方式，不再是利用惠斯通电桥获得电压差的方式来计算信号方位，而是通过检测反射光栅的反射光的光强变化，效果明显且易于检测；3、本专利技术所采用的非均匀周期反射光栅使用PMMA或PLA等耐腐蚀材料，避免透声膜、硅油的封装保护，从而可以进一步的提高检测的精度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1提供的二维仿生矢量水听器的立体结构示意图；图2为本专利技术实施例1提供的二维仿生矢量水听器的俯视图；图3为本专利技术实施例2提供的二维仿生矢量水听器的立体结构示意图；附图中附图标记所对应的名称为：1-衬底，2-悬臂梁，3-纤毛，4-质量块，5-光栅。具体实施方式以下是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本专利技术的保护范围。实施例1本专利技术提供了一种二维仿生矢量水听器，如图1和图2所示，包括一个纤毛-悬臂梁微结构，所述纤毛-悬臂梁微结构包括一个正方形衬底1、四根悬臂梁2和一根纤毛3；所述衬底的中心位置设有质量块4，四个所述悬臂梁2一端与所述质量块4连接，另一端与所述衬底1内壁垂直连接，相邻两个所述悬臂梁2之间呈垂直结构；所述纤毛3一端与所述质量块4连接，所述纤毛3与所述悬臂梁2之间呈垂直结构；四根所述悬臂梁2上分别刻有非均匀周期反射光栅5，所述光栅的长度X1为1.5mm，宽度X2为0.2mm；所述衬底1、所述悬臂梁2、所述纤毛3、所述质量块4和所述光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维仿生矢量水听器，包括一个纤毛‑悬臂梁微结构，其特征在于：所述纤毛‑悬臂梁微结构包括一个正方形衬底、四根悬臂梁和一根纤毛；所述衬底的中心位置设有质量块，四个所述悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与所述衬底内壁垂直连接，相邻两个所述悬臂梁之间呈垂直结构；所述纤毛一端与所述质量块连接，所述纤毛与所述悬臂梁之间呈垂直结构。

【技术特征摘要】
1.一种二维仿生矢量水听器，包括一个纤毛-悬臂梁微结构，其特征在于：所述纤毛-悬臂梁微结构包括一个正方形衬底、四根悬臂梁和一根纤毛；所述衬底的中心位置设有质量块，四个所述悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端与所述衬底内壁垂直连接，相邻两个所述悬臂梁之间呈垂直结构；所述纤毛一端与所述质量块连接，所述纤毛与所述悬臂梁之间呈垂直结构。2.根据权利要求1所述的一种二维仿生矢量水听器，其特征在于：四根所述悬臂梁上分别刻有非均匀周期反射光栅。3.根据权利要求1所述的一种二维仿生矢量水听器，其特征在于：相邻两根所述悬臂梁上分别刻有非均匀周期反射光栅。4.根据权利要求2或3所述的一种二维仿生矢量水听器，其特征在于：所述光栅的长度X1为1-2mm。5.根据权利要求2或3所述的一种二维仿生矢量水听器，其特征在于：所述光栅的宽度X2为0.1-0.3mm。6.根据权利要求2或3所述的一种二维仿生矢量水听器，其特征在于：所述衬底、所述悬臂梁、所述纤毛、所述质量块和所述光栅均采用耐腐蚀材料。7.根据权利要求6所述的一种二维仿生矢量水听器，其特征在于：所述的耐腐蚀材料为PMMA材料或P...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德源，罗宁宁，张志敏，白家兴，曾祥飞，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36