[發明專利]一種壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件

有效

• 申請號: 201611100740.8
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106679514B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 彭瀚旻;胡捷;陳超;姚新科
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F42B35/02
• 分類號: F42B35/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域：

本發明涉及一種壓電纖毛感知空間氣流變化彈用傳感器組件，屬智能材料領域。

背景技術：

傳統炮彈在空間高速運動時，測量炮彈飛行姿態的裝置是內部的陀螺儀，但對于智能炮彈，傳統的機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變化以及確定炮彈的運動信息，進而替代傳統的機械陀螺。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動信號轉化為電信號，由此利用壓電仿生纖毛的壓電效應來感知外部空間氣流變化，通過對該傳感元件合理布置和對仿生纖毛產生的電信號分析，得出炮彈外部三維空間氣流的速度及方向，進而可實時推算并跟蹤彈體自身的姿態。

發明內容：

針對傳統陀螺應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。

本發明采用如下技術方案：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于彈頭外殼外表面上的基底，在基底的正上方鋪設有三塊圓形培養層，培養層之間依次間隔60°并形成等邊三角形的結構，在每塊培養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個培養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構，上述徑向纖毛束和軸向纖毛束共同構成了纖毛束陣列布置，每根上述壓電仿生纖毛為圓柱型結構，其包括壓電陶瓷以及穿設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濺射有電極層，上述電極層與培養層之間連接有導線，導線埋設于基底中。

進一步地，單個上述壓電仿生纖毛傳感器的整體長度不超過10mm、寬度不超過10mm、高度不超過3mm。

進一步地，每根上述壓電仿生纖毛的直徑為300μm，長度2mm。

本發明具有如下有益效果：

1、通過徑向纖毛束陣列結構和軸向纖毛束陣列結構可實現炮彈在運行中對空間流場大小及方向的感知，進而實時得出彈體運行的空間姿態；

2、運用MEMS技術，壓電仿生纖毛作為傳感元件其尺寸為微米級，覆蓋在彈體表面不會影響炮彈的氣動力外形結構；

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

附圖說明：

圖1為壓電仿生纖毛結構示意圖。

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構示意圖。

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-導線，5-彈頭外殼，6-壓電仿生纖毛傳感器，7-基底，8-培養層，9-徑向纖毛束，10-軸向纖毛束，11-纖毛束陣列布置。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明做進一步的解釋。

請參照圖1至圖4所示，本發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以空間區域布置能感知不同方向的風速，另一片壓電仿生纖毛傳感器6負責風速大小及方向的誤差校正。如此分布覆蓋在彈頭外殼5表面不會影響炮彈的氣動力外形結構。

壓電仿生纖毛傳感器6包括鋪設于彈頭外殼5外表面上的基底7，在基底7的正上方鋪設有三塊圓形培養層8，培養層8之間依次間隔60°并形成等邊三角形的結構。在每塊培養層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個培養層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構。徑向纖毛束9和軸向纖毛束10共同構成了纖毛束陣列布置11。等邊三角形的分布結構可有效的增大感知空間三維風速的變化，全方位的捕捉空間流向的變化，其中軸向纖毛束陣列結構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；徑向纖毛束陣列結構作為傳感元件能有效的感知空間其他2個平面即垂直面和側平面上流速大小及方向。培養層8上的多根纖毛可有效的通過平均計算提高傳感器對空間流速大小、方向精度，