可在线测温的水声换能器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种可在线测温的水声换能器，主要包括换能器外壳、若干个布拉格光纤光栅温度传感器、测试光纤和水密插座，所述的布拉格光纤光栅温度传感器固定于换能器内部待测表面，布拉格光纤光栅温度传感器尾部引出测试光纤，测试光纤通过水密插座穿出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。本实用新型专利技术的有益效果为：解决了水声换能器工作时内部温度未知的问题，可用于为验证、分析、优化换能器热性能提供技术支撑，也能避免换能器因温度过高而损坏的风险。本实用新型专利技术可在线测温的换能器具有适用性广、温度检测精度高的特点。温度检测精度高的特点。温度检测精度高的特点。

【技术实现步骤摘要】
可在线测温的水声换能器


[0001]本技术属于水声换能器
，主要是一种可在线测温的水声换能器。

技术介绍

[0002]水声换能器是声纳系统中产生或接收声波信号的重要设备，它的主要功能是实现电能和声能间相互转换。将电能转化为声能辐射到水中的称为发射换能器，而将接收声能转化为电能的称为接收换能器或水听器。在换能器进行能量转换的过程中，不可避免的存在部分能量转换为内能的结果。在实际应用中，通常只关心发射换能器内部的温度变化。这是因为水听器接受到的声能量一般为毫瓦级，其中的转化为内能的能量可以忽略不计。而发射换能器作为向外辐射声能量的部件，输入的电能量有相当一部分都转换为内能。同时，由于换能器驱动材料与驱动形式的不同，不同类型换能器的电声转换效率差距能够达到一个数量级，因此发射换能器内部由于内能积累导致的温度变化是不可忽视的。
[0003]当换能器内部温度升高到居里温度时，换能器的有源材料将会丧失压电特性或磁致伸缩特性，使得换能器无法工作。更严重的是，压电有源材料在换能器温度重新降低为室温时，其压电特性也不会恢复。因此压电材料的工作温度至少在居里点一半以下才是安全的。即使换能器温升处于安全范围内，有源材料的介电常数、耦合系数等参数均会随着温度上升会产生变化，最终将导致换能器电声性能不稳定。此外，无源材料如胶层、聚氨酯水密层等会因过热而产生物理性状的剧烈变化，从而影响换能器的稳定性和可靠性，甚至发生永久性损坏。
[0004]通过对换能器的温度在线监测，能够具有对不同电声转换效率的各种换能器热性能进行研究，有助于掌握不同类型不同材料换能器的设计方法。同时，在线测温对于掌握换能器的热极限、提升换能器设计可靠性具有重要意义。进一步，对于换能器的应用来说，对于换能器的使用者，特别是对于对水声换能器结构、性能不太熟悉的使用者，在线测温结果作为判断换能器工作状态的重要附加数据，有利于换能器的安全使用。

技术实现思路

[0005]本技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种可在线测温的水声换能器，该换能器可以应用于低频主动声源，是声纳系统使用的重要部件。
[0006]本技术的目的是通过如下技术方案来完成的。一种可在线测温的水声换能器，主要包括换能器外壳、若干个布拉格光纤光栅温度传感器、测试光纤和水密插座，所述的布拉格光纤光栅温度传感器固定于换能器内部待测表面，布拉格光纤光栅温度传感器尾部引出测试光纤，测试光纤通过水密插座穿出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。在换能器通电工作时，换能器在向外辐射声能量的同时，部分电能转换为内能导致换能器内部温度升高。布拉格光纤光栅温度传感器检测到温度变化后光信号发生改变，波长解调设备将接收到的光信号解调为温度信息，并将换能器的温度信息显示在计算机中。
[0007]本技术所述的换能器类型不限，实际应用中所用换能器类型主要取决于想要
监测的换能器。由于布拉格光纤光栅温度传感器呈探针结构，体积小巧，可塞入换能器狭小的内部空间，对死角进行温度监测，并且不会影响换能器正常工作，因此换能器内部结构不用为了温度监测装置而做出过多的修改。将数支光纤光栅温度传感器布设于换能器内部，可对其内部多个测温点的温度分布进行精确测量。同时，为了在线监测换能器温度变化，布拉格光纤光栅温度传感器需要通过光纤同测试端持续进行数据交换，因此换能器水密结构和灌注模具则需要为温度测试光纤做出改进。
[0008]所述换能器由换能器外壳、压电堆、上盖板、下盖板、水密接插件、电极和水密灌封层构成了水声换能器的基本结构，上盖板和下盖板设置在换能器外壳的上下两端并在内部形成一个密封的腔体，上盖板和下盖板外面设置有水密灌封层，腔体内设有压电堆、布拉格光纤光栅温度传感器和电极，上盖板上设置有水密接插件和水密插座；压电堆为换能器的驱动结构，由厚度极化的压电单晶片极化方向相反堆叠而成，所有压电单晶片并联后通交流电，压电堆沿堆叠方向往复振动，电极为薄铜片，夹在两片压电单晶之间，用于联通压电单晶片表面银镀层和导线。
[0009]所述的布拉格光纤光栅温度传感器由布拉格光纤光栅、保护外壳、转接管、光纤护套和光纤组成，光纤护套和光纤构成了测试光纤，转接管连接保护外壳和光纤护套；所述的布拉格光纤光栅位于保护外壳内，保护外壳和待测表面紧密接触；保护外壳一端封闭，另一端引出测试光纤，布拉格光纤光栅于保护外壳内处于应力自由状态。
[0010]所述的布拉格光纤光栅温度传感器通过粘接、夹持或嵌合等方式固定于换能器内部待测表面。
[0011]所述的保护外壳材质为铁、铜等导热性能良好的硬质材料。
[0012]所述的水密插座由金属圆管、保护管和凹槽组成，水密插座为耐腐蚀材料加工而成，中心有通孔，可穿过若干根测试光纤。测试光纤通过换能器上盖板的位置安装了水密插座，以避免测试光纤破坏换能器的水密结构。水密插座外部中段设有固定平台，固定平台设置在上盖板和水密灌封层之间，用于固定水密插座安装深度和承受水密插座所受水压；水密插座朝向换能器外部的一端设有与金属圆管连接的柔性保护管，避免测试光纤在使用过程中于水密插座通孔的金属直角处磨损或折断。金属圆管穿过测试光纤后采用硬质防水胶封堵，起到水密和固定测试光纤的功能。凹槽上安装有O型密封圈，用于上盖板与水密插座的密封。
[0013]所述测试光纤内部传递信号为光信号，光信号在测试光纤一端输入，布拉格光纤光栅温度传感器将测试光纤传导来的光信号改造为包含温度信息的光信号，并将改造后的光信号沿测试光纤反射回去。
[0014]本技术的有益效果为：
[0015]1、解决了水声换能器工作时内部温度未知的问题，可用于为验证、分析、优化换能器热性能提供技术支撑，也能避免换能器因温度过高而损坏的风险。本技术可在线测温的换能器具有适用性广、温度检测精度高的特点。
[0016]2、本技术基于布拉格光纤光栅温度传感器体积小且抗电磁信号干扰能力强的优势，将其置于换能器内部并解决信号出水传输问题，实现对换能器关键部位温度的实时监测。这一设计既不会影响换能器的结构设计和振动特性，也可以避免换能器内部强电场对温度测试准确性的干扰。
附图说明
[0017]图1换能器剖面图；
[0018]图2换能器示意图；
[0019]图3换能器水密插座部分剖面图；
[0020]图4布拉格光纤光栅温度传感器结构示意图；
[0021]图5换能器上盖板示意图；
[0022]图6水密插座结构示意图。
[0023]附图标记说明：换能器外壳1、压电堆2、上盖板3、下盖板4、水密接插件5、电极6、水密灌封层7、布拉格光纤光栅温度传感器8、测试光纤9、水密插座10、布拉格光纤光栅11、保护外壳12、转接管13、光纤护套14、通孔A15、通孔B16、金属圆管17、固定平台18、保护管19、凹槽20、安装孔21、光纤22、去耦材料23。
具体实施方式
[0024]下面将结合附图对本技术做详细的介绍：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可在线测温的水声换能器，其特征在于：主要包括换能器外壳(1)、若干个布拉格光纤光栅温度传感器(8)、测试光纤(9)和水密插座(10)，所述的布拉格光纤光栅温度传感器(8)固定于换能器内部待测表面，布拉格光纤光栅温度传感器(8)尾部引出测试光纤(9)，测试光纤(9)通过水密插座(10)穿出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。2.根据权利要求1所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述换能器由换能器外壳(1)、压电堆(2)、上盖板(3)、下盖板(4)、水密接插件(5)、电极(6)和水密灌封层(7)构成了水声换能器的基本结构，上盖板(3)和下盖板(4)设置在换能器外壳(1)的上下两端并在内部形成一个密封的腔体，上盖板(3)和下盖板(4)外面设置有水密灌封层(7)，腔体内设有压电堆(2)、布拉格光纤光栅温度传感器(8)和电极(6)，上盖板(3)上设置有水密接插件(5)和水密插座(10)；压电堆(2)为换能器的驱动结构，由厚度极化的压电单晶片极化方向相反堆叠而成，所有压电单晶片并联后通交流电，压电堆(2)沿堆叠方向往复振动，电极(6)为薄铜片，夹在两片压电单晶之间，用于联通压电单晶片表面银镀层和导线。3.根据权利要求1所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述的布拉格光纤光栅温度传感器(8)由布拉格光纤光栅(11)、保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：周利生，高伟，李东明，高健，张会超，许欣然，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：新型
国别省市：