專利名稱：一種超低頻寬帶電容式次聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種次聲檢測裝置，具體地說，本發(fā)明涉及適用于檢測超低頻次聲波 的一種新型的電容式傳感器。
背景技術(shù)：
次聲是頻率在20Hz以下人耳聽不到的聲波。次聲傳感器是一種將次聲波信號轉(zhuǎn) 換為電信號的換能器件，出現(xiàn)在聲學(xué)領(lǐng)域中需要獲取次聲信號的應(yīng)用中，比如大氣次聲檢 測，大氣重力波檢測，地震、海嘯次聲波檢測，核爆炸次聲波檢測，地震前兆次聲波檢測，環(huán) 境次聲測量等，經(jīng)過多傳感器組合可實現(xiàn)次聲陣列檢測。在次聲檢測中通常使用的次聲傳 感器包括波紋管膜盒型、微氣壓計型、動圈式、電磁波多普勒型、光纖式。次聲檢測中對傳 感器的要求是體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬、長時間工作穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強、溫 度和濕度影響小等。而現(xiàn)有技術(shù)中典型的次聲傳感器如法國的波紋管膜盒型MB2005系 列，重量5. 5kg，高度350mm，直徑220mm，靈敏度lmv/Pa，頻率范圍0. OlHz至27Hz。美國的 電容式Model5系列，重量7. 8kg，高度420mm，直徑250mm，靈敏度40mv/Pa，頻率范圍0. OlHz 至50Hz。國內(nèi)原有動圈式，高度500mm，直徑450m m，靈敏度0. lmv/Pa。這幾種次聲傳感器 的體積都較大，不方便攜帶和大量使用。而電磁波多普勒型對外界電磁波較敏感，容易受到 外界干擾。美國專利US2002/0118115A1中介紹了一種利用電磁波多普勒方式對次聲進行 檢測的傳感器，該傳感器有一個敏感膜，敏感膜后方有電磁波發(fā)射和接收裝置，當敏感膜收 到次聲壓力波引起振動時，電磁波在膜片上的反射會引起多普勒效應(yīng)，從而記錄下膜片的 振動狀態(tài)，但該傳感器容易受外界電磁場的干擾。美國專利US6788417B1介紹了一種光纖 次聲傳感器，具有靈敏度高，不受溫度影響，抗干擾能力強的特點，但該傳感器中使用的光 纖長度達到100米 1000米，需要較大的場地布設(shè)傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有次聲傳感器技術(shù)的不足，提出一種高靈敏度超低頻、寬 頻帶的電容式次聲傳感器。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種超低頻寬帶電容式次聲傳感器，其特征 在于，包括構(gòu)成傳感器腔的腔壁、固定在所述腔壁內(nèi)側(cè)的電容支撐體以及固定在所述電容 支撐體上的敏感膜，電容支撐體和敏感膜將所述傳感器腔分為前腔和后腔，所述前腔的腔 壁設(shè)有進氣通道，；所述電容支撐體上設(shè)有均壓管用于連通所述前腔和后腔；所述后腔內(nèi)設(shè) 有剛性電容后極板，所述剛性電容后極板與敏感膜平行形成用于輸出測量信號的頭電容； 所述剛性電容后極板可以沿著垂直于所述敏感膜的方向移動以調(diào)節(jié)靜態(tài)頭電容。其中，所述敏感膜是厚度小于ΙΟμπι的金屬膜，所述敏感膜與所述剛性電容后極 板距離小于50 μ m。其中，所述后腔的腔壁是雙層真空隔熱腔壁，所述后腔的腔壁外覆有樹脂保溫隔 振層。2/9頁其中，所述均壓管內(nèi)部填充有用以調(diào)節(jié)均壓管孔徑的金屬絲或者玻璃纖維。其中，所述剛性電容后極板具有加長螺桿；所述后腔底部的腔壁具有通孔；所述 通孔處安裝具有通孔的后極板支撐片；所述加長螺桿從后極板支撐片中心的通孔穿出用以 調(diào)節(jié)靜態(tài)頭電容。其中，傳感器電容的主體部分由電容支撐體、膜片固定環(huán)、敏感膜片、后極板支撐 片、所述電容式次聲傳感器還包括用于支撐所述剛性電容后極板的后極板支撐體，所述后 極板支撐體頂部設(shè)有張力調(diào)節(jié)環(huán)，所述張力調(diào)節(jié)環(huán)作用于所述敏感膜以調(diào)節(jié)敏感膜膜片的 靜態(tài)張力。其中，所述電容式次聲傳感器還包括前腔罩，所述前腔罩設(shè)置在前腔的頂部腔壁 上所述前腔罩內(nèi)的防濕隔熱片。其中，所述剛性電容后極板是一個中心下凹的具有弧面極板，所述弧面深度小于 等于5μπι。其中，后極板上帶有均勻分布的小孔，所述小孔的孔徑為2mm至3mm。其中，所有所述的小孔的總面積與所述所述剛性電容后極板的總面積之比小于百 分之十。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1)靈敏度高且靈敏度頻響曲線平直；2)頻率響應(yīng)范圍寬，3dB頻帶下限頻率可以達到0.001Hz，測量頻率下限可達 0.OOOlHz ；3)傳感器整體體積小，方便使用；4)前腔罩內(nèi)的防濕隔熱片保證了傳感器對溫度和濕度不敏感；5)內(nèi)部電路全屏蔽，抗電磁干擾能力強；6)膜片張力可控，可以保證一致性要求；7)敏感膜片質(zhì)量很小，對振動的響應(yīng)靈敏度趨于0，有利于抗振動干擾；并且后極 板的下凹弧形穿孔結(jié)構(gòu)保證了該傳感器有效的防治膜片貼附在后極板的情況發(fā)生的同時， 增大了敏感膜的線性動態(tài)范圍，擴大次聲傳感器的動態(tài)響應(yīng)范圍，同時控制了次聲傳感器 的響應(yīng)靈敏度范圍。8)雙層真空隔熱后腔使后腔內(nèi)溫度恒定，傳感器工作穩(wěn)定性好；9)均壓管保證了膜片內(nèi)外靜壓力的穩(wěn)定，特別是保證了在校準時前后腔靜壓力相 等；均壓管內(nèi)部填充有金屬絲極大地延展了次聲傳感器頻率下限；10)在該傳感器的頭電容上加上偏壓工作可以直接輸出與次聲壓力波對應(yīng)的模擬 電壓信號，也可以將該頭電容作為高頻信號幅度調(diào)制電路的元件，以調(diào)幅方式檢測次聲壓 力波，還可以將該頭電容作為高頻信號頻率調(diào)制電路的元件以調(diào)頻方式檢測次聲壓力波， 也可以將該電容作為脈沖振動電路的元件以脈寬調(diào)制方式檢測次聲壓力波。


圖Ia是超低頻寬帶電容式次聲傳感器基本結(jié)構(gòu)示意Ib是超低頻寬帶電容式次聲傳感器聲學(xué)等效原理示意Ic是超低頻寬帶電容式次聲傳感器信號檢測電路原理示意圖
圖2是超低頻寬帶電容式次聲傳感器各部件裝配2a是防塵罩側(cè)面剖視2b是防塵罩頂視3a是前腔罩剖視3b是前腔罩頂視4是雙層保溫后腔及樹脂保溫隔振層圖5是電容支撐體圖6a是后極板支撐體側(cè)面剖視6b是后極板支撐體頂視7a是剛性后極板側(cè)面剖視7b是剛性后極板頂視8是后極板鎖緊環(huán)圖9a是繃膜外環(huán)側(cè)視剖面9b是繃膜外環(huán)頂視10是繃膜內(nèi)環(huán)側(cè)視剖面11是后極板支撐片側(cè)視剖面12是前腔側(cè)面剖視圖及頂視13a是電路板基座側(cè)視13b是電路板基座頂視14是電路板保護罩圖15是膜片鎖定環(huán)圖16是實施例2中的剛性電容后極板圖17是實施例2中的雙層真空隔熱后腔及保溫隔振層
圖18是實施例2中的電路套筒圖19是實施例1，2中的電路原理示意20是實施例3中的電路原理示意21是實施例4中改進部分原理示意22是實施例2中電路及電路套筒結(jié)構(gòu)示意23是實施例5中的電路原理示意中各部件的含義為1-防塵罩，2-防塵罩進氣槽，3-前腔罩，4-前腔進氣孔，5-敏感膜，6_繃膜內(nèi)環(huán)， 7-繃膜外環(huán)，8-膜片鎖定環(huán)，9-剛性電容后極板，10-后極板支撐片，11-后極板支撐體， 12-均壓管，13-前腔壁，14-雙層真空隔熱后腔壁，15-樹脂保溫隔振層，16-電路板基座， 17-電路板，18-電路板保護罩，19-電容支撐體，20-引線，21-調(diào)節(jié)螺紋，22-剛性電容后 極板引線孔，23-電容支撐體上端的膜片張力環(huán)，24-后極板開孔，25-后極板支撐片中心 通孔，26-供電及信號輸出口，27-后極板加長的螺桿，28-后腔底部的通孔，29-電路套筒， 30-LEM0頭鉆孔，31-電容式次聲傳感器，32-LEM0接頭。33-膜片固定環(huán)，34-膜片張力環(huán)， 35-極距調(diào)節(jié)環(huán)，36-定位銷，37-定位銷孔，38-擠壓式電容支撐體，39-彈性頂針，40-BNC 接頭，41-前腔防濕隔熱片，42-密封卡環(huán)，43-后極板鎖緊環(huán)，44-信號地引線，45-信號輸出引線。
具體實施例方式實施例1本實施例的電容式次聲傳感器包括機械部分和電路部分。圖Ia是本實施例的電 容式次聲傳感器機械部分的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖Ib是本實施例的電容式次聲傳感器聲學(xué) 等效原理示意圖，圖Ic是本實施例的電容式次聲傳感器的信號檢測電路原理示意圖。圖Ib 中，Rl是進氣口聲阻，Cl是前腔聲順，R2是均壓管聲阻，Cs是敏感膜的膜片聲順，C2是后 腔聲順。所述機械部分的具體結(jié)構(gòu)可參考圖2。本實施例的次聲傳感器外形為圓柱形。防 塵罩1、前腔罩3、前腔壁13和后腔壁14共同構(gòu)成所述次聲傳感器圓柱形外殼。其中，圖2a 示出了防塵罩側(cè)剖視圖，圖2b示出了防塵罩的俯視圖。圖3a示出了前腔罩的剖視圖，圖3b 示出了前腔罩的俯視圖。前腔罩3為倒圓桶狀，頂部具有突臺，突臺內(nèi)具有前腔進氣孔4。 所述防塵罩1罩在所述前腔罩3上，防塵罩1設(shè)有與所述前腔罩3的突臺相匹配的防塵罩 進氣槽2，進氣槽2與所述突臺間留有氣隙，可以使得次聲壓力波進入到敏感膜又可以防止 灰塵進入傳感器內(nèi)部。所述前腔壁13為圓筒狀，與所述前腔罩3密封連接(可采用螺釘和 密封卡環(huán)42實現(xiàn)密封連接)。圖12示出了前腔側(cè)面剖視圖及頂視圖。所述后腔壁14為圓 桶狀，后腔壁14采用雙層真空隔熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁、外壁和內(nèi)外壁之間的真空層，其中外壁采用 具有良好透聲性能的樹脂保溫材料制作。所述后腔壁14與前腔壁13密封連接。所述電容 式次聲傳感器內(nèi)部具有敏感膜5。敏感膜5是一種依據(jù)張力控制型的敏感元件，用具有良好 柔韌性和不易形變的非導(dǎo)磁金屬材料做成。膜的厚度不超過10 μ m，本實施例取6 μ m，敏感 膜越厚，傳感器的檢測聲壓越高，膜上允許的砂眼直徑小于100 μ m,砂眼數(shù)量不超過2個。 敏感膜5可以采用繃膜、焊膜或壓膜方式實現(xiàn)，本實施例中采用繃膜方式。剛性電容后極板 9位于所述敏感膜5下方，剛性電容后極板9與敏感膜5共同構(gòu)成用于檢測聲壓的頭電容。 具體地，所述剛性電容后極板9由后極板支撐體11支撐，所述后極板支撐體11包括主體部 分和連接部分，其中主體部分為筒狀，內(nèi)部可容納所述剛性電容后極板9 ；連接部分與所述 后腔壁14固定連接。所述后極板支撐體11與所述敏感膜5共同隔開所述聲傳感器的前腔 和后腔。圖6a示出了后極板支撐體側(cè)面剖視圖，圖6b示出了后極板支撐體頂視圖，圖7a示 出了剛性后極板側(cè)面剖視圖，圖7b示出了剛性后極板頂視圖。所述后極板包括一個螺桿部 分，該螺桿部分穿過后極板支撐片10中心的圓孔25，與后極板支撐體11組合成一個整體， 所述后極板支撐片10通過后極板鎖緊環(huán)43固定在所述后極板支撐體11內(nèi)部。后極板鎖 緊環(huán)視圖如圖8所示。所述剛性電容后極板9可沿所述后極板支撐體11的縱軸線方軸向 移動，因此可以方便地微調(diào)剛性電容后極板9與敏感膜5間的距離以調(diào)節(jié)靜態(tài)電容。后極 板11的螺桿穿過后極板支撐片10中心的圓孔25，再與后極板支撐體11組合成一個整體。 圖11示出了后極板支撐片側(cè)視剖面圖?？嚹?nèi)環(huán)6與繃膜外環(huán)7的外螺紋連接，把敏感膜 5套壓在二者中間，將敏感膜5展平并預(yù)施加一定的張力，并被固定為不可拆卸的整體膜部 件。圖9a示出了繃膜外環(huán)側(cè)視剖面圖，圖9b示出了繃膜外環(huán)頂視圖，圖10示出了繃膜內(nèi)環(huán) 側(cè)視剖面圖。繃膜內(nèi)環(huán)6的內(nèi)螺紋與電容支撐體19的外螺紋連接，并被安裝在頂部，電容 支撐體19的圓形環(huán)狀上部邊沿具有9級的光潔度，所述上部邊沿接觸敏感膜5的下表面，并為敏感膜5提供向上的推力。轉(zhuǎn)動整體膜部件可以在電容支撐體19縱軸線方向調(diào)節(jié)敏 感膜5的上下位置，來改變電容支撐體19上部邊沿擠壓敏感膜5產(chǎn)生的張力。改變敏感膜 5的張力是為了將膜片的固有頻率穩(wěn)定在IOkHz處，并使固有頻率偏移量小于IHz以保證同 一批生產(chǎn)的傳感器的響應(yīng)具有良好的一致性，確保傳感器的一致性。當調(diào)節(jié)膜片5至合適 張力時，通過旋轉(zhuǎn)膜片鎖定環(huán)8，以鎖定膜片5位置，保持長期的張力恒定。膜片鎖定環(huán)如圖 15所示。所述電容支撐體19上部邊沿的半徑與所述敏感膜5的半徑比值在0. 7 0. 9范 圍內(nèi)，本實施例中取0. 8。所述敏感膜5與后極板間距離小于等于50 μ m，保證了足夠的靈 敏度。前、后腔之間有一個均壓管，該均壓管從所述后極板支撐體11的連接部分通過，連通 前腔和后腔，所述均壓管使得環(huán)境氣壓變化時膜片內(nèi)外即前后腔的靜壓力保持均衡，保證 膜片的正常工作狀態(tài)，并可通過改變均壓管12的孔徑和長度來改變傳感器截至頻率。所述 均壓管12孔徑小于0. 5mm，長度大于3mm時，可以使得所述傳感器低頻的截至頻率的下限達 到0.001Hz。均壓管越長，聲阻越大，均壓管孔徑越小，聲阻越大。聲阻越大，對次聲波的響 應(yīng)靈敏度越低，同時頻帶范圍偏向低頻范圍。所以進一步延長均壓管長度和減小管內(nèi)徑，還 可進一步降低下限頻率到0. 001Hz，為保持傳感器的一致性，一般固定后腔容積和均壓管尺 寸。本實施例中均壓管長度為3mm。本實施例中，頭電容所測得的信號通過信號地引線44和信號輸出引線45輸出。 后極板輸出端(即信號輸出引線45)接信號檢測電路，敏感膜5通過電容支撐體19接地電 位，具有防打火功能。信號檢測電路外部套有電路板保護罩18，電路板保護罩如圖14所示， 信號檢測電路框圖如圖19所示。本實施例中，絕緣支撐片是用高電阻率(1015Q/cm)的剛性材料如人造剛玉做成 的，其上有均勻分布的孔，用于保持后極與膜片間與后腔相通。本實施例的電路部分包括電路板基座16。電路板基座側(cè)視圖如圖13a所示，電路 板基座頂視圖如圖13b所示。所述電路板基座16被安裝在后腔側(cè)壁的樹脂保溫隔振層15 上。雙層保溫后腔及樹脂保溫隔振層如圖4所示。電路板17四角上的過孔是地線，用銅柱 穿過過孔后固定在電路板基座16上，同時電路板基座16通過前腔壁13、電容支撐體19與 敏感膜5電導(dǎo)通。電容支撐體如圖5所示。這種設(shè)計使得傳感器頭電容直接通過基座16 連接到電路中。而剛性電容后極板9通過引線20從電容后極板引線孔22引出連接至到電 路中。本實施例的電路板17上的檢測電路是通過將高頻電壓加在傳感器的頭電容，采 用調(diào)幅的原理，把頭電容作為橋電路中其中一條橋臂，當電容發(fā)生變化時，即會輸出隨電容 量變化的調(diào)幅波，調(diào)幅波經(jīng)電壓放大，檢波電路解調(diào)，再放大濾波，即可得到低頻模擬電信 號輸出。本實施例的電容式次聲傳感器及其結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計，該次聲傳感器有效值靈敏 度高達到2mv/Pa、20mv/Pa、200mv/Pa三檔，頻率響應(yīng)范圍0. OOlHz至40Hz，響應(yīng)動態(tài)范 圍128dB，性能穩(wěn)定性好，溫度漂移小，抗電磁干擾能力強，高度230mm，直徑80mm，重量輕 1.9kg，對周圍聲場的影響小，而且便于大量使用，很容易直接安裝使用或構(gòu)成次聲陣列系 統(tǒng)。本實施例的電容式次聲傳感器的信號檢測電路的連接可以采用側(cè)裝式，后極板用 軟線引出信號到檢測電路板。也可以采用前端輸出式，電路板通過進聲口端引線與后極相連，或采用后端連接方式，后極板通過彈性接觸直接與電路板連接。超低頻寬帶電容式次聲傳感器聲學(xué)等效原理如圖Ib所示，進聲口聲阻，前腔聲 順，均壓孔聲阻，膜片聲順，后腔聲順組合成等效原理結(jié)構(gòu)。前后腔影響頻率特性，其中進聲 口聲阻R1和前腔聲順C1決定了傳感器的高頻響應(yīng)特性，均壓管聲阻R2和膜片聲順Cs決定 低頻響應(yīng)特性，靈敏度僅取決于膜片聲順cs只需要調(diào)節(jié)膜片張力使第一 1共振頻率相同來 可以保證靈敏度一致。超低頻寬帶電容式次聲傳感器電路等效原理如圖Ic所示，其信號輸入輸出關(guān)系 由下式表示。
權(quán)利要求
一種超低頻寬帶電容式次聲傳感器，其特征在于，包括構(gòu)成傳感器腔的腔壁、固定在所述腔壁內(nèi)側(cè)的電容支撐體(19)以及固定在所述電容支撐體上的敏感膜(5)，電容支撐體(19)和敏感膜(5)將所述傳感器腔分為前腔和后腔，所述前腔的腔壁設(shè)有進氣通道；所述電容支撐體上設(shè)有均壓管(12)用于連通所述前腔和后腔；所述后腔內(nèi)設(shè)有剛性電容后極板(9)，所述剛性電容后極板(9)與敏感膜(5)平行形成用于輸出測量信號的頭電容；所述剛性電容后極板可以沿著垂直于所述敏感膜的方向移動以調(diào)節(jié)靜態(tài)頭電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，所述敏感膜(5)是厚度小于 等于10 μ m的金屬膜，所述敏感膜(5)與所述剛性電容后極板(9)距離小于等于50μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低頻寬帶電容式次聲傳感器，其特征在于，所述后腔的腔 壁是雙層真空隔熱腔壁，所述后腔的腔壁外覆有樹脂保溫隔振層(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，所述均壓管(12)內(nèi)部填充 有用以調(diào)節(jié)均壓管孔徑的金屬絲或者玻璃纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，所述剛性電容后極板(9) 具有加長螺桿(27)；所述后腔底部的腔壁具有通孔(28)；所述通孔(28)處安裝具有通孔 (25)的后極板支撐片(10)；所述加長螺桿(27)從后極板支撐片(10)中心的通孔(25)穿 出用以調(diào)節(jié)靜態(tài)頭電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，傳感器電容的主體部分由 電容支撐體(38)、膜片固定環(huán)(33)、敏感膜片(5)、后極板支撐片(10)、所述電容式次聲傳 感器還包括用于支撐所述剛性電容后極板(9)的后極板支撐體(11)，所述后極板支撐體頂 部設(shè)有張力調(diào)節(jié)環(huán)(34)，所述張力調(diào)節(jié)環(huán)(34)作用于所述敏感膜(5)以調(diào)節(jié)所述敏感膜的 靜態(tài)張力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，所述電容式次聲傳感器還 包括前腔罩，所述前腔罩設(shè)置在前腔的頂部腔壁上所述前腔罩內(nèi)的防濕隔熱片(41)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，所述剛性電容后極板(9)是 一個中心下凹的具有弧面極板，所述弧面深度小于等于5 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，后極板上設(shè)有按內(nèi)外兩圈 均勻分布的小孔，所述小孔的孔徑為2mm至3mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式次聲傳感器，其特征在于，所有所述的小孔的總面積 與所述所述剛性電容后極板(9)的總面積之比小于百分之十。
全文摘要
一種超低頻寬帶電容式次聲傳感器，其特征在于，包括構(gòu)成傳感器腔的腔壁、固定在所述腔壁內(nèi)側(cè)的電容支撐體(19)以及固定在所述電容支撐體上的敏感膜(5)，電容支撐體(19)和敏感膜(5)將所述傳感器腔分為前腔和后腔，所述前腔的腔壁設(shè)有進氣通道；所述電容支撐體上設(shè)有均壓管(12)用于連通所述前腔和后腔；所述后腔內(nèi)設(shè)有剛性電容后極板(9)，所述剛性電容后極板(9)與敏感膜(5)平行形成用于輸出測量信號的頭電容；所述剛性電容后極板可以沿著垂直于所述敏感膜的方向移動以調(diào)節(jié)靜態(tài)頭電容。本發(fā)明適用于工作環(huán)境濕度大，溫度變化大需要超低頻下限并且穩(wěn)定工作的環(huán)境。
文檔編號G01H11/06GK101995289SQ20091009160
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者楊亦春, 滕鵬曉, 趙樹卿, 郭泉 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所