一种压阻式离子聚合物水听器结构制造技术

本发明专利技术公开了一种压阻式离子聚合物水听器结构，属于水下声学压力传感技术领域。包括金属基座外壳、塑料背衬、下电极片、离子聚合物传感材料、上电级片、碳纤维板、空心圆形金属盖、金属盖外壳。塑料背衬位于金属基座外壳内部，通过4枚螺丝固定；所述上电极片粘贴于碳纤维板下方；所述空心圆形金属盖、碳纤维板和上电极片分别紧密接触，并通过4枚螺丝仅仅固定于金属盖外壳上端。导线与下电极片相连接形成串联，并通过导线槽引致金属基座外壳外部。通过上下金属壳体间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，高效保障离子聚合物变形前的初始体积状态，能有效提升水听器的探测量程范围，从而有效提升其探测灵敏度、稳定性及探测精度。探测精度。探测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种压阻式离子聚合物水听器结构


[0001]本专利技术属于水下声学压力传感
，具体涉及一种压阻式离子聚合物水听器结构。

技术介绍

[0002]水听器作为声纳系统最重要的组成部分，有“水中设备之耳”之称。军事中常被安装到潜艇上，监听目标发出的噪声，判断出目标的位置和速度等特性。然而，随着潜艇减振降噪和舰船隐身技术的进步，其辐射噪声频率逐渐降低至1000Hz以下，且辐射噪声甚至低于海洋环境噪声。这无疑不对主要以高频探测为主的传统声纳系统提出了新的性能要求。而近二十年来出现了一类新型智能材料——电活性聚合物，在外力作用下，由于电活性聚合物发生变形或分子构型变化导致其电参数发生显著变化或直接产生电响应，具有较高灵敏度。此外，由于其具有低机械阻抗和声阻抗的特性，与水的声阻抗率(1.5MPa
·
s/m)十分接近，因此对于替代水听器感知单元传统材料具有重要潜力。
[0003]传统的电活性聚合物传感器通常为电极
‑
离子聚合物
‑
电极的三明治式结构，当传感器处于不受力状态时，可移动离子均匀分散在基底膜中，在弯曲、压力或其他形式的受力状态下，传感器通过离子的重新分布产生电势。以弯曲过程为例，收缩一侧受到压应力，则伸长一侧受到拉应力，离子聚合物内部将产生由收缩区域到伸长区域的弹性应力梯度，这种弹性应力梯度会使离子聚合物中的可移动离子从收缩区域向伸长区域迁移，从而在空间上形成不均匀的电荷分布，表现为在两电极间形成电势差。
[0004]然而，近年来针对电活性聚合物的研究主要存在于研究实验阶段，因而由其制备的声学压力传感器大多采用手工封装的方式。然而，手工封装一方面极易造成离子凝胶上表面与其上方电极片存在间隙从而导致测量结果误差较大，另一方面也可能由于过度接触导致聚合物挤压变形从而导致传感器灵敏度变差、量程变短。因此，亟需研制针对离子聚合物的新型水听器结构以实现对水下声学目标高精度、高灵敏度及高稳定性地监测，对新型水下传感器研究领域进行一定的补充，以促进未来水下航行器探测技术的发展，从而使其广泛应用于民用和军用事业。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术的目的是提供一种针对离子聚合物传感软材料的新型水听器封装结构，通过采用精密螺纹逐渐调整电极与例子聚合物上表面的距离，以弥补其它离子聚合物型水声压力传感器手工封装时，难以控制上电级与离子聚合物间的接触距离从而造成水听器灵敏度低、测量量程短等缺陷。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种压阻式离子聚合物水听器结构，包括金属基座外壳、塑料背衬、下电极片、离子聚合物传感材料、上电级片、碳纤维板、空心圆形金属盖、金属盖外壳、导线和螺丝。所述塑料背衬位于金属基座外壳内部，通过4枚螺丝固定；所述下电极片位于塑料背衬的圆形凹槽内，其上承载着离子聚合物，二者紧密接触；所述上电极片粘
贴于碳纤维板下方；所述空心圆形金属盖位于碳纤维板上方；所述空心圆形金属盖、碳纤维板和上电极片分别紧密接触，并通过4枚螺丝仅仅固定于金属盖外壳上端。所述导线与下电极片相连接形成串联，并通过导线槽引致金属基座外壳外部；所述水听器整体外壳存留的缝隙最终罐装环氧树脂防水胶，包括金属基座外壳和金属盖外壳间、导线槽的出口两部分。
[0007]进一步地，所述金属外壳由不锈钢、铝合金或者具有耐蚀和透声功能的轻质金属合金材料制成。
[0008]进一步地，所述金属基座外壳底端面留有一个出线孔。
[0009]进一步地，所述塑料背衬是由聚氨酯制成，顶部为圆形凹槽，并留有导线槽。
[0010]进一步地，所述压阻式水听器较优选择离子聚合物传感材料，包含PVDF与离子液体复合物、热塑性聚氨酯(TPU)与离子液体的复合物、基于全氟磺酸离子交换膜(Nafion)的离子聚合物
‑
金属复合材料(IPMC)和离子型水凝胶。
[0011]进一步地，所述离子聚合物传感材料的上表面带有微纳米级阵列结构，包含棱锥状、棱台状、圆柱状、半球形状。
[0012]进一步地，所述上电极片和下电极片较优选择导电性较好的金属材料或者镀金材料。
[0013]进一步地，所述下电极片需要连接导线通过导线槽引致传感器壳体外，为传感器正极。
[0014]进一步地，所述上电极片与金属盖外壳紧密接触，为传感器负极，最终通过金属基座外壳下端螺丝衔接引出导线。
[0015]进一步地，所述离子聚合物传感材料最终分别与上电极片和下电极片通过调节上下金属壳体间的螺纹从而达到接触状态。
[0016]进一步地，所述上电级片粘接在碳纤维板上，碳纤维板也可由透声性能和防水性能较好的材料代替。
[0017]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点：
[0018](1)本专利技术通过上下金属壳体间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，高效保障离子聚合物变形前的初始体积状态，避免其它封装方式导致离子聚合物易被挤压变形的缺陷，从而保障水听器具有较高的初始电阻和较大的电阻变化量，进而提高其灵敏度并增大水听器测量量程；
[0019](2)本专利技术采用碳纤维板作为顶盖材料，可有效增加水中声音的透射性，从而保障声音高效作用到离子聚合物上，引起其内部带电离子运动并且重新分布进而产生明显的电信号，最终进一步缩短水听器响应时间，同时提高水听器的灵敏度；
[0020](3)本专利技术采用离子型聚合物作为水声感知单元，此类材料具有低机械阻抗和声阻抗特性，声反射几乎为零，极大保障声音的入射功率，进一步增强水听器的探测灵敏度。
[0021](4)本专利技术的水听器尺寸为直径50mm，高40mm的圆柱体，直径下限可缩短至30mm左右，高度下限可缩短至20mm左右，可以根据工程环境需要进一步调整尺寸。
[0022](5)本专利技术制造及组装工艺简单，重量轻，适合工业化生产；相较于手工封装，本专利技术的硬式封装抗干扰性强，稳定性高，水声测量结果更加精确。
附图说明
[0023]图1是本专利技术金属基座及塑料背衬等部件的装配爆炸示意图；
[0024]图2是本专利技术金属盖外壳及碳纤维板等部件的装配爆炸示意图；
[0025]图3是本专利技术水听器装配过程示意图：(a)上半部分俯视三维立体图,(b)下半部分俯视三维立体图，(c)上半部分仰视三维立体图，(d)上半部分仰视三维立体图；
[0026]图4是本专利技术水听器装配过程示意图：(a)上电级片与离子聚合物距离调节示意图及内部局部放大图，(b)水听器装配完成示意图及内部局部放大图；
[0027]图5是本专利技术压阻式离子聚合物水听器应用场景示意图；
[0028]图中标号名称：
[0029]1‑
离子聚合物传感材料，2
‑
下电极片，3
‑
塑料背衬，4
‑
导线槽，5
‑
内螺纹，6
‑
金属基座外壳，7
‑
底端螺丝，8
‑
顶端螺丝，9
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压阻式离子聚合物水听器结构，包括金属基座外壳、塑料背衬、下电极片、离子聚合物传感材料、上电级片、碳纤维板、空心圆形金属盖、金属盖外壳、导线和螺丝，塑料背衬位于金属基座外壳内部，通过四枚螺丝固定；下电极片位于塑料背衬的圆形凹槽内，其上承载着离子聚合物，二者紧密接触；上电极片粘贴于碳纤维板下方；空心圆形金属盖位于碳纤维板上方；空心圆形金属盖、碳纤维板和上电极片分别紧密接触，并通过四枚螺丝仅仅固定于金属盖外壳上端，导线与下电极片相连接形成串联，并通过导线槽引致金属基座外壳外部；通过金属基座外壳与金属盖外壳间的螺纹精确控制上电级片与离子聚合物间的距离，水听器整体外壳存留的缝隙最终罐装环氧树脂防水胶，包括金属基座外壳和金属盖外壳间、导线槽的出口两部分。2.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述金属外壳由不锈钢、铝合金或者具有耐蚀和透声功能的轻质金属合金材料制成。3.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述金属基座外壳底端面留有一个出线孔。4.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合物水听器结构，其特征在于，所述塑料背衬是由聚氨酯制成，顶部为圆形凹槽，并留有导线槽。5.根据权利要求1所述的一种压阻式离子聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡桥，赵佳伟，朱子才，解阳瑞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：