CN211784057U - 一种线性宽量程压力波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种线性宽量程压力波传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括前基座、后基座、敏感膜以及屏蔽罩，所述敏感膜将后基座的前端封闭，使敏感膜及后基座前端外侧形成前腔，敏感膜及后基座内侧形成后腔；在后腔内设有一主电容极板，所述主电容极板靠近敏感膜的一侧面与敏感膜平行，在前腔内还设有一辅电容极板，所述辅电容极板靠近敏感膜的一侧面与敏感膜平行，使辅电容极板与敏感膜之间形成辅检波电容；所述主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板；所述低声压极板的中部开设有安装孔，所述高声压极板安装于该安装孔内。本实用新型能够分段对高声压和低声压进行线性测量，扩大了压力波传感器的测量范围。

Description

一种线性宽量程压力波传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种线性宽量程压力波传感器。

背景技术

压力波传感器是采用电容耦合原理检测空气中的压力波的换能（敏感）元件，压力波传感器将压力波引起的敏感器垂直振动产生电流信号输出，灵敏度高，无需调零。敏感器具有一定的抗振动干扰性能。敏感单元不会因外界影响（如温度、湿度、海拔、气压、时间等）而改变其长期稳定性，该压力波传感器具有体积小、重量轻、安装使用方便的特点。

压力波传感器在结构件上分成三段，前段是前腔，中段是后腔，后段是信号处理输出。其中，前腔具有进声结构，进声结构具有进声孔，用于声压进入；后腔内设有电容极板及信号采集电路板，在后腔与前腔之间设有敏感膜，电容极板与敏感膜之间形成检波电容，电容极板与敏感膜之间的距离变化导致电容的变化，信号采集电路板通过信号柱与电容极板相连，用于采集声压信号（电容信号）并将声压信号（电容信号）转换成电压信号后放大，后段信号处理输出是将信号采集电路板采集并放大后的电压信号进行进一步处理后输出从而完成声压信号到电压信号的转换，阻抗变换以及消噪处理。

但是，现有的压力波传感器存在以下问题：

1、现有的电容式压力波传感器，在高声压时具有较大的震动位移，但是为了使电容传声器具有较大的信噪比，往往电容间的距离不能太大，因此在高声压时位移量超过了其固定距离的一定比例后就会导致严重的非线性。

2、压力波传感器受环境影响很容易出现零点漂移，同一传感器在不同地区零点偏差极大，有时会超过±10v，即使人工调零，也只能调到±1v左右，而且即使在同一地方工作，因为温度、湿度、大气压力变化而导致零点每天都有变化。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于解决现有的线性宽量程压力存在严重的非线性、灵敏度差并且量程较小的问题，提供一种线性宽量程压力波传感器，能够分段对高声压和低声压进行线性测量，提高了压力波传感器的线性度，扩大了压力波传感器的测量范围。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种线性宽量程压力波传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括前基座、后基座、敏感膜以及屏蔽罩，所述屏蔽罩的前端具有进声结构，前基座和后基座均为圆筒状结构并间隔安装于屏蔽罩内，所述敏感膜与后基座的前端相连并将后基座的前端封闭，使敏感膜及后基座前端外侧形成前腔，敏感膜及后基座内侧形成后腔；在后腔内设有主电容极板和第一前端信号采集电路板，所述主电容极板靠近敏感膜的一侧面与敏感膜平行，使主电容极板与敏感膜之间形成主检波电容；所述第一前端信号采集电路板通过信号采集柱与主电容极板相连，以进行主信号采集；

在前腔内还设有一辅电容极板，所述辅电容极板靠近敏感膜的一侧面与敏感膜平行，使辅电容极板与敏感膜之间形成辅检波电容；在辅电容极板背离敏感膜的一侧设有第二前端信号采集电路板，所述第二前端信号采集电路板通过信号采集柱与辅电容极板相连，以进行辅信号采集；其中，所述主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板；所述低声压极板的中部开设有贯穿其两侧的安装孔，所述高声压极板安装于该安装孔内，在高声压极板与低声压极板之间设有绝缘套；所述高声压极板和低声压极板靠近敏感膜的一侧面均与敏感膜平行，且低声压极板与敏感膜之间的距离大于所述高声压极板与敏感膜之间的距离；所述主电容极板的高声压极板和低声压极板通过信号采集柱与第一前端信号采集电路板相连，辅电容极板的高声压极板和低声压极板分别通过信号采集柱与第二前端信号采集电路板。

通过在前腔内设置辅电容极板，且主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板，所述高声压极板安装于低声压极板中部的安装孔内，这样，由于低声压极板表面积尺寸较大与敏感膜的距离较近，灵敏度高，对微弱信号具有较高的信噪比，而高声压极板表面积尺寸较小与敏感膜距离较远，灵敏度较小，满足宽量程的线性测量。并且，主检波电容和辅检波电容的相位相差180°，能够将噪声信号相消而减小传感器噪声信号，提高检测的精确度。这样，压力波传感器的线性动态范围提高30dB以上，自噪声降低20dB以上，改善了非线性并满足宽量程线性测量以及降低噪声，扩大了压力波传感器的测量范围。因此，本实用新型提供的压力波传感器具有频响宽、噪声低、低声压测量灵敏度高的特点，同时具有宽量程的线性检测优点。

进一步，在后基座的前端的侧壁上开设有均压孔，后腔通过该均压孔与前腔相连通。

进一步，在均压孔内设有均压管。由于具有均压管，经过一定时间，前后腔气压平衡，敏感膜片恢复平衡位置，零点漂移恢复。

进一步，所述屏蔽罩的进声结构包括屏蔽罩前端向外凸出形成的凸台，在凸台上设有主进声孔，且主进声孔与前腔相连通，这样，信号通过进声盖的次进声孔进入进声盖后，在主进声孔的入口处，高频信号在主进声孔处相消而低频信号在主进声孔处相干涉有用信号在主进声孔处干涉加强，噪声信号消弱，从而保证有用压力波信号的拾取。

进一步，所述传感器本体还包括进声盖，所述进声盖罩设在屏蔽罩前端，且进声盖与主进声孔之间具有间隙，在靠近进声盖边缘的位置，绕进声盖一周均匀开有数个次进声孔，这样，声音信号通过次进声孔进入进声盖后再传递到主进声孔中，能够除去一部分噪声。

进一步，在进声盖内侧，对应凸台设有一套管，所述套管套设在凸台上，且凸台的端面与进声盖之间具有间隙；在套管上，绕其一周分布有数个通声孔，该通声孔的一端与间隙相连通，另一端与套管外侧相连通，这样设计更合理。

进一步，所述高声压极板和低声压极板均开有若干贯穿其两侧的通孔，这样，能够减少敏感膜振动时的阻力，保持接收的波形不失真并且提高压力波传感器的线性度。

进一步，所述敏感膜为金属膜，大片厚膜和弧面后极制备技术，采用精密控制镀膜工艺，控制膜片的精度，敏感膜的表面镀厚层金并且要保证不脱皮，再抛光处理使其达到微米级精度（镜面）。

进一步，所述敏感膜采用不锈钢或钛合金材料制成。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、通过在前腔内设置辅电容极板，且主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板，所述高声压极板安装于低声压极板中部的安装孔内，这样，由于低声压极板表面积尺寸较大与敏感膜的距离较近，灵敏度高，对微弱信号具有较高的信噪比，而高声压极板表面积尺寸较小与敏感膜距离较远，灵敏度较小，满足宽量程的线性测量。

2、主检波电容和辅检波电容的相位相差180°，能够将噪声信号相消而减小传感器噪声信号，提高检测的精确度。这样，压力波传感器的线性动态范围提高30dB以上，自噪声降低20dB以上，改善了非线性并满足宽量程线性测量以及降低噪声，扩大了压力波传感器的测量范围。因此，本实用新型提供的压力波传感器具有频响宽、噪声低、低声压测量灵敏度高的特点，同时具有宽量程的线性检测优点。

3、由于采用主电容极板和辅电容极板，且采用主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板这样的复合电容检测技术，将低声压测量电容和高声压测量电容复合在一起，能够实现声压范围0.01Pa-20KPa宽量程的线性测量按一定比例关系调整低量程和高量程的灵敏度大小。

附图说明

图1为本实用新型一种线性宽量程压力波传感器的剖视图。

图中：前基座1、后基座2、敏感膜3、屏蔽罩4、主电容极板5、第一前端信号放大板6、第二前端信号放大板7、辅电容极板8、高声压极板9、低声压极板10、进声盖11、次进声孔12、主进声孔13、均压管14。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：

参见图1，一种线性宽量程压力波传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括前基座1、后基座2、敏感膜3以及屏蔽罩4。所述屏蔽罩4的前端具有进声结构。前基座1和后基座2均为圆筒状结构并间隔安装于屏蔽罩4内，所述敏感膜3与后基座2的前端相连并将后基座2的前端封闭，使敏感膜3及后基座2前端外侧形成前腔，敏感膜3及后基座2内侧形成后腔。具体实施时，所述屏蔽罩4的进声结构包括屏蔽罩4前端向外凸出形成的凸台，在凸台上设有主进声孔13，该主进声孔13与前腔相连通。所述传感器本体还包括进声盖11。所述进声盖11罩设在屏蔽罩4前端，且进声盖11与主进声孔13之间具有间隙。优选进声盖11与进声结构卡接，使压力波传感器在测量时结构更稳定。在靠近进声盖11边缘的位置，绕进声盖11一周均匀开有数个次进声孔12。优选次进声孔12为四个。实施时，在进声盖11内侧，对应凸台设有一套管，所述套管套设在凸台上，且凸台的端面与进声盖11之间具有间隙。在套管上，绕其一周分布有数个通声孔，该通声孔的一端与间隙相连通，另一端与套管外侧相连通。优选通声孔倾斜设置，这样设计更合理，降噪效果更好。声音信号通过次进声孔12进入进声盖11后再传递到主进声孔13中，高频信号在主进声孔13处相消而低频信号在主进声孔13处相干涉有用信号在主进声孔13处干涉加强，噪声信号消弱，从而保证有用压力波信号的拾取。

具体实施时，在后基座2的前端的侧壁上开设有均压孔，后腔通过该均压孔与前腔相连通。在均压孔内设有均压管14。由于具有均压管14，经过一定时间，前后腔气压平衡，敏感膜3片恢复平衡位置，零点漂移恢复。

在后腔内设有主电容极板5和第一前端信号采集电路板6，所述主电容极板5靠近敏感膜3的一侧面与敏感膜3平行，使主电容极板5与敏感膜3之间形成主检波电容。所述第一前端信号采集电路板6通过信号采集柱与主电容极板5相连，以进行主信号采集。在前腔内还设有一辅电容极板8，所述辅电容极板8靠近敏感膜3的一侧面与敏感膜3平行，使辅电容极板8与敏感膜3之间形成辅检波电容。在辅电容极板8背离敏感膜3的一侧设有第二前端信号采集电路板7，所述第二前端信号采集电路板7通过信号采集柱与辅电容极板8相连，以进行辅信号采集。实施时，第一前端信号采集电路板6和第二前端信号放大板7均包括两块信号采集电路板。两块信号采集电路板集成在一起，其中一块与高声压极板9相连，另一块与低声压极板10相连。所述第一前端信号采集电路板6和第二前端信号放大板7均为成熟的现有产品/现有技术，用于将信号输出柱采集到的声压信号转变为电压信号、阻抗变换以及消噪处理。所述主电容极板5和辅电容极板8均包括高声压极板9和低声压极板10。所述低声压极板10的中部开设有贯穿其两侧的安装孔，所述高声压极板9安装于该安装孔内。所述主电容极板5的高声压极板9和低声压极板10通过信号采集柱与第一前端信号采集电路板6相连，辅电容极板8的高声压极板9和低声压极板10分别通过信号采集柱15与第二前端信号采集电路板7。在高声压极板9与低声压极板10之间设有绝缘套，避免高声压极板9与低声压极板10相互干扰。在高声压极板9和低声压极板10上均开有若干贯穿其两侧的通孔，这样，能够减少敏感膜3振动时的阻力，保持接收的波形不失真并且提高压力波传感器的线性度。

所述敏感膜3为金属膜，优选采用不锈钢或钛合金材料制成。优选敏感膜3的直径与低声压极板10靠近敏感膜3的一端面的直径相同。采用大片厚膜和弧面后极制备技术，精密控制镀膜工艺，控制膜片的精度，敏感膜3的表面镀厚层金并且要保证不脱皮，再抛光处理使其达到微米级精度（镜面）。用大膜片来保证静态电容量足够大，并且通过厚膜脱胎后应力释放来保证膜片的各向同性。所述高声压极板9和低声压极板10靠近敏感膜3的一侧面均与敏感膜3平行，且低声压极板10与敏感膜3之间的距离大于所述高声压极板9与敏感膜3之间的距离。这样，低声压极板10表面积尺寸较大与敏感膜3的距离较近，灵敏度高，对微弱信号具有较高的信噪比，而高声压极板9表面积尺寸较小与敏感膜3距离较远，灵敏度较小，满足宽量程的线性测量。

通过在前腔内设置辅电容极板，且主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板，所述高声压极板安装于低声压极板中部的安装孔内，这样，由于低声压极板表面积尺寸较大与敏感膜的距离较近，灵敏度高，对微弱信号具有较高的信噪比，而高声压极板表面积尺寸较小与敏感膜距离较远，灵敏度较小，满足宽量程的线性测量。并且，主检波电容和辅检波电容的相位相差180°，能够将噪声信号相消而减小传感器噪声信号，提高检测的精确度。这样，压力波传感器的线性动态范围提高30dB以上，自噪声降低20dB以上，改善了非线性并满足宽量程线性测量以及降低噪声，扩大了压力波传感器的测量范围。因此，本实用新型提供的压力波传感器具有频响宽、噪声低、低声压测量灵敏度高的特点，同时具有宽量程的线性检测优点。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种线性宽量程压力波传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括前基座、后基座、敏感膜以及屏蔽罩，所述屏蔽罩的前端具有进声结构，前基座和后基座均为圆筒状结构并间隔安装于屏蔽罩内，所述敏感膜与后基座的前端相连并将后基座的前端封闭，使敏感膜及后基座前端外侧形成前腔，敏感膜及后基座内侧形成后腔；在后腔内设有主电容极板和第一前端信号采集电路板，所述主电容极板靠近敏感膜的一侧面与敏感膜平行，使主电容极板与敏感膜之间形成主检波电容；所述第一前端信号采集电路板通过信号采集柱与主电容极板相连，以进行主信号采集；其特征在于，

在前腔内还设有一辅电容极板，所述辅电容极板靠近敏感膜的一侧面与敏感膜平行，使辅电容极板与敏感膜之间形成辅检波电容；在辅电容极板背离敏感膜的一侧设有第二前端信号采集电路板，所述第二前端信号采集电路板通过信号采集柱与辅电容极板相连，以进行辅信号采集；其中，所述主电容极板和辅电容极板均包括高声压极板和低声压极板；所述低声压极板的中部开设有贯穿其两侧的安装孔，所述高声压极板安装于该安装孔内，在高声压极板与低声压极板之间设有绝缘套；所述高声压极板和低声压极板靠近敏感膜的一侧面均与敏感膜平行，且低声压极板与敏感膜之间的距离大于所述高声压极板与敏感膜之间的距离；所述主电容极板的高声压极板和低声压极板通过信号采集柱与第一前端信号采集电路板相连，辅电容极板的高声压极板和低声压极板分别通过信号采集柱与第二前端信号采集电路板。

2.如权利要求1所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，在后基座的前端的侧壁上开设有均压孔，后腔通过该均压孔与前腔相连通。

3.如权利要求2所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，在均压孔内设有均压管。

4.如权利要求1所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，所述屏蔽罩的进声结构包括屏蔽罩前端向外凸出形成的凸台，在凸台上设有主进声孔，且主进声孔与前腔相连通。

5.如权利要求4所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，所述传感器本体还包括进声盖，所述进声盖罩设在屏蔽罩前端，且进声盖与主进声孔之间具有间隙；在靠近进声盖边缘的位置，绕进声盖一周均匀开有数个次进声孔。

6.如权利要求5所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，在进声盖内侧，对应凸台设有一套管，所述套管套设在凸台上，且凸台的端面与进声盖之间具有间隙；在套管上，绕其一周分布有数个通声孔，该通声孔的一端与间隙相连通，另一端与套管外侧相连通。

7.如权利要求1所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，所述高声压极板和低声压极板均开有若干贯穿其两侧的通孔。

8.如权利要求1所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，所述敏感膜为金属膜。

9.如权利要求8所述的线性宽量程压力波传感器，其特征在于，所述敏感膜采用不锈钢或钛合金材料制成。

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