一种基于双电层电容传感原理的水听器制造技术

一种基于双电层电容传感原理的水听器，该水听器包括透声聚氨酯橡胶外壳、BOPP电极薄膜、凝胶聚合物敏感膜、带螺纹通孔金属环电极、导电螺丝、带螺纹通孔金属下电极、环状硬质聚氨酯垫片、固定支架、氟胶密封圈、BNC降噪线缆、蓖麻油、锁紧环、信号采集电路；本发明专利技术各部件连接方式简单通用；当水下声波使BOPP电极薄膜振动带动其内部的凝胶聚合物敏感膜发生周期性变形，从而改变凝胶聚合物敏感膜与水听器电极接触形成的双电层电容以进行传感；相较于传统的基于压电原理的水听器而言，本发明专利技术利用高灵敏的双电层电容传感原理结合简单可靠的结构设计形成的水听器具有低频高灵敏的绝对优势，可用于水下声波监测、水声信号传感等领域。水声信号传感等领域。水声信号传感等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双电层电容传感原理的水听器


[0001]本专利技术涉及水声传感器
，具体涉及一种基于双电层电容传感原理的水听器。

技术介绍

[0002]双电层传感原理发展至今虽然仅发展了10年，但因其具有极高的传感灵敏度、低检测噪声、抗干扰特性等优点，在健康监测、环境信号识别和运动监测等领域有着独特的应用。所谓双电层电容是指，当含离子材料和金属接触时界面会形成一对“离子
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电子”界面电容，即双电层电容，由于接触界面的厚度仅为nm量级，因此该双电层电容量巨大，通常为μF/cm2量级，远大于传统的介电式电容。通过合理的结构设计，利用双电层电容传感原理的传感器会在载荷作用下，双电层电容发生急剧变化。由于单位载荷下电学量改变巨大，即传感灵敏度高，双电层电容传感器通常用于微弱信号传感和采集。早期离子材料通常选用为液体状态的离子溶液，因此存在易泄露的风险，给进一步投入使用造成了不少困扰。随着近几年的凝胶聚合物敏感材料的发展，这一瓶颈得到突破。凝胶聚合物敏感材料是一种由包含传感离子的三维的高分子网络组成的高分子材料，具有优异的力学性能，如低模量、高韧性、抗冲击等特点。当其与金属接触复合时形成“金属
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离子电解质
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金属”系统时，会在接触界面产生稳定的双电层电容。由于其为固体材料，因此不会发生泄露等问题。目前国内外研究集中在使用凝胶聚合物敏感材料的设计和应用，但受限于聚合物材料的固有频率，大多数应用仍集中于健康监测等静态或准静态传感领域。
[0003]水听器，又称水声传感器，是一种用于传感水中声音信号的装备，广泛应用于水下声学监测、水下通信等领域。作为接收声波的基本单元，水听器的性能高低将直接影响到国家在海洋军事等领域的话语权。因此提高水听器性能是有意义且必要的。目前，水听器利用压电陶瓷、光纤等硬质材料作为敏感元件结合压电效应、光学干涉原理进行水声传感，存在低频灵敏度低、抗冲击性能差等问题。因此，急需发展新原理水听器改善现状。为了改善现状，国内外学者也进行了诸多尝试，如压阻式传感原理水听器、MEM工艺水听器等，但都存在其不足之处。值得一提的是，有研究者提出使用双电层电容传感原理进行水下声信号采集，但仍然受到聚合物软材料固有频率的限制使其仅对5
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15Hz的低频声信号敏感，同时他们采用的直流电供电的采集电路使传感器寿命大大缩减，应用仅停留在实验室层面。
[0004]综合上述
技术介绍
的调研，本专利技术采用凝胶聚合物敏感材料与金属复合后在弱交流电下产生阻抗特性的新传感技术结合电极薄膜预拉伸和凝胶聚合物材料预压缩结构设计开发出了一种基于双电层电容传感原理的水听器。改善了现有水声传感领域的现状，解决了目前研究前沿的利用双电层原理进行水声信号传感的低频带宽窄，寿命低等问题，更好地推进双电层电容水听器在水声领域的发展。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于双电层电容传感
原理的水听器，利用双电层电容传感的高灵敏优势结合预加载结构设计解决了软质聚合物材料无法进行高频信号传感的技术瓶颈。基于双电层电容传感原理的水听器的成功设计与制作拓宽了新传感原理在水声信号采集领域的应用，弥补了现有水听器的技术不足。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于双电层电容传感原理的水听器，所述的水听器包括透声聚氨酯橡胶外壳1、BOPP电极薄膜2、凝胶聚合物敏感膜3、带螺纹通孔金属环电极4、导电螺丝5、带螺纹通孔金属下电极6、环状硬质聚氨酯垫片7、固定支架8、氟胶密封圈9、BNC降噪线缆10、蓖麻油11、锁紧环12和信号采集电路13；
[0008]所述的水听器连接方式为：首先，带螺纹通孔金属下电极6与固定支架8通过固定支架8后方(靠近水听器尾部)的导电螺丝5紧密配合，同时将BNC降噪线缆10的负极导线通过压线扣连接在导电螺丝5上保持接触以形成水听器负极；其次，带螺纹通孔金属环电极4通过粘接固定与其表面的BOPP电极薄膜2接触，同时将其整体利用固定支架8前方(靠近水听器头部)的导电螺丝5套入带螺纹通孔金属下电极6外周圈固定在固定支架8上，在固定支架8背面同样用压线扣将BNC降噪线缆10正极导线与穿过环状电极4的导电螺丝相连接以形成水听器正极；再次，水听器正极和水听器负极之间用于放置凝胶聚合物敏感膜3，并利用预设厚度的环状硬质聚氨酯垫片7隔开凝胶聚合物敏感膜3与水听器正极和水听器负极，保障凝胶聚合物敏感膜3的初始预压缩应变；最后，将透声聚氨酯橡胶外壳1套在固定支架8外侧，接触部分用橡胶密封圈9采用过盈配合的方式装配，并在透声聚氨酯橡胶外壳1与由BOPP电极薄膜2、凝胶聚合物敏感膜3、带螺纹通孔金属环电极4、导电螺丝5、带螺纹通孔金属下电极6、环状硬质聚氨酯垫片7构成的水听器敏感元件之间填充蓖麻油11，最后利用锁紧环12将透声聚氨酯橡胶外壳1进一步压紧在固定支架上8，以形成密封的水听器，BNC降噪线缆10和固定支架8之间的缝隙用密封胶填充密封；信号采集电路13放置于固定支架8尾部的环形空腔中，靠近水听器敏感元件以最大化降低输出信号噪声；
[0009]利用声波作用在BOPP电极薄膜2上时，BOPP电极薄膜2的振动带动凝胶聚合物敏感膜3发生周期性变形，从而改变凝胶聚合物敏感膜3与水听器正极和水听器负极接触形成的“金属
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离子电解质
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金属”的系统阻抗以进行传感；
[0010]所述水听器在信号采集电路13提供的交流电下，凝胶聚合物和金属接触的界面会形成一对“离子
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电子”界面电容，又称双电层电容；远离接触界面的凝胶聚合物材料内部，离子在交流电作用下会形成等效于交流电阻的形式；因此，凝胶聚合物敏感膜3与水听器正极和水听器负极接触形成的“金属
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离子电解质
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金属”的系统阻抗是指交流电阻和两个双电层电容的串联形成的交流阻抗，其中双电层电容在阻抗中占主要成分；所述凝胶聚合物敏感膜的阻抗在声波的作用下发生变化从而改变串联分压电阻两端的电压进行电压信号输出的。
[0011]所述的一种基于双电层电容传感原理的水听器，其特征在于：
[0012]所述带螺纹通孔金属环电极4与BOPP电极薄膜2之间形成良好接触的同时避免用导电螺丝5从固定支架8前方穿过固定带螺纹通孔金属环电极4和BOPP电极薄膜2在固定支架8上时，前方的导电螺丝5与带螺纹通孔金属下电极6接触使水听器短接。
[0013]所述的一种基于双电层电容传感原理的水听器，其特征在于：在导电螺丝5和带螺纹通孔金属下电极6之间设置电气绝缘。
[0014]所述的一种基于双电层电容传感原理的水听器，其特征在于：所述BOPP电极薄膜2面内具有双轴预拉伸产生的内张力。
[0015]所述的一种基于双电层电容传感原理的水听器，其特征在于：所述水听器正极和水听器负极之间的凝胶聚合物敏感膜3的预压缩程度取决于环状硬质聚氨酯垫片7的厚度。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双电层电容传感原理的水听器，其特征在于：所述的水听器包括透声聚氨酯橡胶外壳(1)、BOPP电极薄膜(2)、凝胶聚合物敏感膜(3)、带螺纹通孔金属环电极(4)、导电螺丝(5)、带螺纹通孔金属下电极(6)、环状硬质聚氨酯垫片(7)、固定支架(8)、氟胶密封圈(9)、BNC降噪线缆(10)、蓖麻油(11)、锁紧环(12)和信号采集电路(13)；所述的水听器连接方式为：首先，带螺纹通孔金属下电极(6)与固定支架(8)通过固定支架(8)后方即靠近水听器尾部的导电螺丝(5)紧密配合，同时将BNC降噪线缆(10)的负极导线通过压线扣连接在导电螺丝(5)上保持接触以形成水听器负极；其次，带螺纹通孔金属环电极(4)通过粘接固定与其表面的BOPP电极薄膜(2)接触，同时将其整体利用固定支架(8)前方即靠近水听器头部的导电螺丝(5)套入带螺纹通孔金属下电极(6)外周圈固定在固定支架(8)上，在固定支架(8)背面同样用压线扣将BNC降噪线缆(10)正极导线与穿过环状电极(4)的导电螺丝相连接以形成水听器正极；再次，水听器正极和水听器负极之间用于放置凝胶聚合物敏感膜(3)，并利用预设厚度的环状硬质聚氨酯垫片(7)隔开凝胶聚合物敏感膜(3)与水听器正极和水听器负极，保障凝胶聚合物敏感膜(3)的初始预压缩应变；最后，将透声聚氨酯橡胶外壳(1)套在固定支架(8)外侧，接触部分用橡胶密封圈(9)采用过盈配合的方式装配，并在透声聚氨酯橡胶外壳(1)与由BOPP电极薄膜(2)、凝胶聚合物敏感膜(3)、带螺纹通孔金属环电极(4)、导电螺丝(5)、带螺纹通孔金属下电极(6)、环状硬质聚氨酯垫片(7)构成的水听器敏感元件之间填充蓖麻油(11)，最后利用锁紧环(12)将透声聚氨酯橡胶外壳(1)进一步压紧在固定支架上(8)，以形成密封的水听器，BNC降噪线缆(10)和固定支架(8)之间的缝隙用密封胶填充密封；信号采集电路(13)放置于固定支架(8)尾部的环形空腔中，靠近水听器敏感元件以最大化降低输出信号噪声；利用声波作用在BOPP电极薄膜(2)上时...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭浩宇，刘建星，卢同庆，刘海洋，仲岩维，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：