一種壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件的制作方法

本發(fā)明涉及一種壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件，屬智能材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)炮彈在空間高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量炮彈飛行姿態(tài)的裝置是內(nèi)部的陀螺儀，但對(duì)于智能炮彈，傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀不能承受大的過載以及過大的離心加速度，所以需要一種微小傳感裝置覆蓋在彈頭表面來感知外部空間流場(chǎng)變化以及確定炮彈的運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而替代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺。模仿前庭迷路這一人體行為，即人體前庭器官的感覺上皮上的纖毛束能精確地將人體自身的慣性運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由此利用壓電仿生纖毛的壓電效應(yīng)來感知外部空間氣流變化，通過對(duì)該傳感元件合理布置和對(duì)仿生纖毛產(chǎn)生的電信號(hào)分析，得出炮彈外部三維空間氣流的速度及方向，進(jìn)而可實(shí)時(shí)推算并跟蹤彈體自身的姿態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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針對(duì)傳統(tǒng)陀螺應(yīng)用在智能炮彈上的不足，提出一種壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件，包括圓錐型的彈頭外殼，在彈頭外殼中部外表面鋪設(shè)有4塊壓電仿生纖毛傳感器，4塊壓電仿生纖毛傳感器沿著彈頭外殼外錐面圍繞在彈頭外殼中心線周圍并依次間隔90°分布，上述壓電仿生纖毛傳感器包括鋪設(shè)于彈頭外殼外表面上的基底，在基底的正上方鋪設(shè)有三塊圓形培養(yǎng)層，培養(yǎng)層之間依次間隔60°并形成等邊三角形的結(jié)構(gòu)，在每塊培養(yǎng)層正上方種上若干根壓電仿生纖毛，記為徑向纖毛束；在彈頭外殼的正上方分布若干根首尾連接在相鄰的2個(gè)培養(yǎng)層之間的壓電仿生纖毛，記為軸向纖毛束，三條軸向纖毛束整體形成等邊三角形結(jié)構(gòu)，上述徑向纖毛束和軸向纖毛束共同構(gòu)成了纖毛束陣列布置，每根上述壓電仿生纖毛為圓柱型結(jié)構(gòu)，其包括壓電陶瓷以及穿設(shè)于壓電陶瓷中心的金屬芯，在壓電陶瓷的一半外表面上沿著圓周方向?yàn)R射有電極層，上述電極層與培養(yǎng)層之間連接有導(dǎo)線，導(dǎo)線埋設(shè)于基底中。

進(jìn)一步地，單個(gè)上述壓電仿生纖毛傳感器的整體長(zhǎng)度不超過10mm、寬度不超過10mm、高度不超過3mm。

進(jìn)一步地，每根上述壓電仿生纖毛的直徑為300μm，長(zhǎng)度2mm。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、通過徑向纖毛束陣列結(jié)構(gòu)和軸向纖毛束陣列結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)炮彈在運(yùn)行中對(duì)空間流場(chǎng)大小及方向的感知，進(jìn)而實(shí)時(shí)得出彈體運(yùn)行的空間姿態(tài)；

2、運(yùn)用MEMS技術(shù)，壓電仿生纖毛作為傳感元件其尺寸為微米級(jí)，覆蓋在彈體表面不會(huì)影響炮彈的氣動(dòng)力外形結(jié)構(gòu)；

3、微小的壓電仿生纖毛強(qiáng)度和柔性性能好，可承受炮彈在高速運(yùn)行中的流場(chǎng)速度及過大的過載和過大的離心加速度。

附圖說明：

圖1為壓電仿生纖毛結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2在智能炮彈表面的壓電仿生纖毛傳感器分布。

圖3為壓電仿生纖毛束在彈體表面放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為壓電仿生纖毛束陣列分布示意圖。

其中：

1-金屬芯，2-壓電陶瓷，3-電極層，4-導(dǎo)線，5-彈頭外殼，6-壓電仿生纖毛傳感器，7-基底，8-培養(yǎng)層，9-徑向纖毛束，10-軸向纖毛束，11-纖毛束陣列布置。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋。

請(qǐng)參照?qǐng)D1至圖4所示，本發(fā)明壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件，包括圓錐型的彈頭外殼5，在彈頭外殼5中部外表面鋪設(shè)有4塊壓電仿生纖毛傳感器6，4塊壓電仿生纖毛傳感器6沿著彈頭外殼5外錐面圍繞在彈頭外殼5中心線周圍并依次間隔90°分布，其中任意3片壓電仿生纖毛傳感器6以空間區(qū)域布置能感知不同方向的風(fēng)速，另一片壓電仿生纖毛傳感器6負(fù)責(zé)風(fēng)速大小及方向的誤差校正。如此分布覆蓋在彈頭外殼5表面不會(huì)影響炮彈的氣動(dòng)力外形結(jié)構(gòu)。

壓電仿生纖毛傳感器6包括鋪設(shè)于彈頭外殼5外表面上的基底7，在基底7的正上方鋪設(shè)有三塊圓形培養(yǎng)層8，培養(yǎng)層8之間依次間隔60°并形成等邊三角形的結(jié)構(gòu)。在每塊培養(yǎng)層8正上方種上若干根壓電仿生纖毛，記為徑向纖毛束9；在彈頭外殼5的正上方分布若干根首尾連接在相鄰的2個(gè)培養(yǎng)層8之間的壓電仿生纖毛，記為軸向纖毛束10，三條軸向纖毛束10整體形成等邊三角形結(jié)構(gòu)。徑向纖毛束9和軸向纖毛束10共同構(gòu)成了纖毛束陣列布置11。等邊三角形的分布結(jié)構(gòu)可有效的增大感知空間三維風(fēng)速的變化，全方位的捕捉空間流向的變化，其中軸向纖毛束陣列結(jié)構(gòu)作為傳感元件能有效的感知空間水平面上流速大小及方向；徑向纖毛束陣列結(jié)構(gòu)作為傳感元件能有效的感知空間其他2個(gè)平面即垂直面和側(cè)平面上流速大小及方向。培養(yǎng)層8上的多根纖毛可有效的通過平均計(jì)算提高傳感器對(duì)空間流速大小、方向精度，

平均計(jì)算公式為：其中V：空間流速；α：空間流速方向；n：壓電纖毛個(gè)數(shù)；U_n：?jiǎn)蝹€(gè)壓電纖毛產(chǎn)生的電壓信號(hào)值。微小的多根壓電仿生纖毛其強(qiáng)度和柔性性能好，可承受炮彈在高速運(yùn)行中的流場(chǎng)速度及過大的過載和過大的離心加速度。本發(fā)明中，單個(gè)壓電仿生纖毛傳感器6的整體長(zhǎng)度不超過10mm、寬度不超過10mm、高度不超過3mm。

每根壓電仿生纖毛為圓柱型結(jié)構(gòu)，其包括壓電陶瓷2以及穿設(shè)于壓電陶瓷2中心的金屬芯1，在壓電陶瓷2外表面上的半個(gè)區(qū)域沿著圓周方向?yàn)R射有電極層3，電極層3與培養(yǎng)層8之間連接有導(dǎo)線4，導(dǎo)線4埋設(shè)于基底7中。其中每根壓電仿生纖毛的直徑為300μm，長(zhǎng)度2mm。

測(cè)量時(shí)，壓電仿生纖毛傳感器6產(chǎn)生的電信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)中，通過預(yù)先建立的計(jì)算算法得出炮彈外部三維空間氣流的速度及方向，進(jìn)而可實(shí)時(shí)推算并跟蹤彈體自身的姿態(tài)。

以上上述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。