1.本实用新型属于水声换能器技术领域，主要是一种可在线测温的水声换能器。
背景技术：2.水声换能器是声纳系统中产生或接收声波信号的重要设备，它的主要功能是实现电能和声能间相互转换。将电能转化为声能辐射到水中的称为发射换能器，而将接收声能转化为电能的称为接收换能器或水听器。在换能器进行能量转换的过程中，不可避免的存在部分能量转换为内能的结果。在实际应用中，通常只关心发射换能器内部的温度变化。这是因为水听器接受到的声能量一般为毫瓦级，其中的转化为内能的能量可以忽略不计。而发射换能器作为向外辐射声能量的部件，输入的电能量有相当一部分都转换为内能。同时，由于换能器驱动材料与驱动形式的不同，不同类型换能器的电声转换效率差距能够达到一个数量级，因此发射换能器内部由于内能积累导致的温度变化是不可忽视的。
3.当换能器内部温度升高到居里温度时，换能器的有源材料将会丧失压电特性或磁致伸缩特性，使得换能器无法工作。更严重的是，压电有源材料在换能器温度重新降低为室温时，其压电特性也不会恢复。因此压电材料的工作温度至少在居里点一半以下才是安全的。即使换能器温升处于安全范围内，有源材料的介电常数、耦合系数等参数均会随着温度上升会产生变化，最终将导致换能器电声性能不稳定。此外，无源材料如胶层、聚氨酯水密层等会因过热而产生物理性状的剧烈变化，从而影响换能器的稳定性和可靠性，甚至发生永久性损坏。
4.通过对换能器的温度在线监测，能够具有对不同电声转换效率的各种换能器热性能进行研究，有助于掌握不同类型不同材料换能器的设计方法。同时，在线测温对于掌握换能器的热极限、提升换能器设计可靠性具有重要意义。进一步，对于换能器的应用来说，对于换能器的使用者，特别是对于对水声换能器结构、性能不太熟悉的使用者，在线测温结果作为判断换能器工作状态的重要附加数据，有利于换能器的安全使用。
技术实现要素：5.本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种可在线测温的水声换能器，该换能器可以应用于低频主动声源，是声纳系统使用的重要部件。
6.本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的。一种可在线测温的水声换能器，主要包括换能器外壳、若干个布拉格光纤光栅温度传感器、测试光纤和水密插座，所述的布拉格光纤光栅温度传感器固定于换能器内部待测表面，布拉格光纤光栅温度传感器尾部引出测试光纤，测试光纤通过水密插座穿出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。在换能器通电工作时，换能器在向外辐射声能量的同时，部分电能转换为内能导致换能器内部温度升高。布拉格光纤光栅温度传感器检测到温度变化后光信号发生改变，波长解调设备将接收到的光信号解调为温度信息，并将换能器的温度信息显示在计算机中。
7.本实用新型所述的换能器类型不限，实际应用中所用换能器类型主要取决于想要
监测的换能器。由于布拉格光纤光栅温度传感器呈探针结构，体积小巧，可塞入换能器狭小的内部空间，对死角进行温度监测，并且不会影响换能器正常工作，因此换能器内部结构不用为了温度监测装置而做出过多的修改。将数支光纤光栅温度传感器布设于换能器内部，可对其内部多个测温点的温度分布进行精确测量。同时，为了在线监测换能器温度变化，布拉格光纤光栅温度传感器需要通过光纤同测试端持续进行数据交换，因此换能器水密结构和灌注模具则需要为温度测试光纤做出改进。
8.所述换能器由换能器外壳、压电堆、上盖板、下盖板、水密接插件、电极和水密灌封层构成了水声换能器的基本结构，上盖板和下盖板设置在换能器外壳的上下两端并在内部形成一个密封的腔体，上盖板和下盖板外面设置有水密灌封层，腔体内设有压电堆、布拉格光纤光栅温度传感器和电极，上盖板上设置有水密接插件和水密插座；压电堆为换能器的驱动结构，由厚度极化的压电单晶片极化方向相反堆叠而成，所有压电单晶片并联后通交流电，压电堆沿堆叠方向往复振动，电极为薄铜片，夹在两片压电单晶之间，用于联通压电单晶片表面银镀层和导线。
9.所述的布拉格光纤光栅温度传感器由布拉格光纤光栅、保护外壳、转接管、光纤护套和光纤组成，光纤护套和光纤构成了测试光纤，转接管连接保护外壳和光纤护套；所述的布拉格光纤光栅位于保护外壳内，保护外壳和待测表面紧密接触；保护外壳一端封闭，另一端引出测试光纤，布拉格光纤光栅于保护外壳内处于应力自由状态。
10.所述的布拉格光纤光栅温度传感器通过粘接、夹持或嵌合等方式固定于换能器内部待测表面。
11.所述的保护外壳材质为铁、铜等导热性能良好的硬质材料。
12.所述的水密插座由金属圆管、保护管和凹槽组成，水密插座为耐腐蚀材料加工而成，中心有通孔，可穿过若干根测试光纤。测试光纤通过换能器上盖板的位置安装了水密插座，以避免测试光纤破坏换能器的水密结构。水密插座外部中段设有固定平台，固定平台设置在上盖板和水密灌封层之间，用于固定水密插座安装深度和承受水密插座所受水压；水密插座朝向换能器外部的一端设有与金属圆管连接的柔性保护管，避免测试光纤在使用过程中于水密插座通孔的金属直角处磨损或折断。金属圆管穿过测试光纤后采用硬质防水胶封堵，起到水密和固定测试光纤的功能。凹槽上安装有o型密封圈，用于上盖板与水密插座的密封。
13.所述测试光纤内部传递信号为光信号，光信号在测试光纤一端输入，布拉格光纤光栅温度传感器将测试光纤传导来的光信号改造为包含温度信息的光信号，并将改造后的光信号沿测试光纤反射回去。
14.本实用新型的有益效果为：
15.1、解决了水声换能器工作时内部温度未知的问题，可用于为验证、分析、优化换能器热性能提供技术支撑，也能避免换能器因温度过高而损坏的风险。本实用新型可在线测温的换能器具有适用性广、温度检测精度高的特点。
16.2、本实用新型基于布拉格光纤光栅温度传感器体积小且抗电磁信号干扰能力强的优势，将其置于换能器内部并解决信号出水传输问题，实现对换能器关键部位温度的实时监测。这一设计既不会影响换能器的结构设计和振动特性，也可以避免换能器内部强电场对温度测试准确性的干扰。
附图说明
17.图1换能器剖面图；
18.图2换能器示意图；
19.图3换能器水密插座部分剖面图；
20.图4布拉格光纤光栅温度传感器结构示意图；
21.图5换能器上盖板示意图；
22.图6水密插座结构示意图。
23.附图标记说明：换能器外壳1、压电堆2、上盖板3、下盖板4、水密接插件5、电极6、水密灌封层7、布拉格光纤光栅温度传感器8、测试光纤9、水密插座10、布拉格光纤光栅11、保护外壳12、转接管13、光纤护套14、通孔a15、通孔b16、金属圆管17、固定平台18、保护管19、凹槽20、安装孔21、光纤22、去耦材料23。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：
25.本实用新型提出的在线监测内部温度变化的换能器结构如图1所示，所述换能器主要由换能器外壳1、压电堆2、上盖板3、下盖板4、水密接插件5、电极6、水密灌封层7、布拉格光纤光栅温度传感器8、测试光纤9、水密插座10组成。其中换能器外壳1、压电堆2、上盖板3、下盖板4、水密接插件5、电极6和水密灌封层7构成了本实用新型待监测温度水声换能器的基本结构，有必要说明的是，本实用新型所述可监测温度的换能器包括但不限于本实例所述换能器结构，本实例仅用于说明可在线监测内部温度变化换能器的工作原理。换能器外壳1由铝合金构成，其作用为在压电堆2的驱动下振动发声。压电堆2为换能器的驱动结构，由厚度极化的压电单晶片极化方向相反堆叠而成，所有压电单晶片并联后通交流电，压电堆2沿堆叠方向往复振动。上盖板3和下盖板4主要用于维持换能器内部水密环境，同时上盖板3还设计有安装水密接插件5和水密插座8的通孔a15、通孔b16。水密接插件5 为换能器与功放输出线的接口，为电能输入换能器的入口。电极6为薄铜片，夹在两片压电单晶之间，起到联通压电单晶片表面银镀层和导线的作用。水密灌封层7是采用聚氨酯灌注形成的结构，主要是维持上盖板3、下盖板4，布拉格光纤光栅温度传感器8通过胶粘的方式固定于换能器内部表面，为了测试的准确性，布拉格光纤光栅温度传感器8的保护外壳需要和待测表面紧密接触。测试光纤9从布拉格光纤光栅温度传感器8的尾部引出，通过水密插座10引出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。水密插座10直插在上盖板3的通孔b16中，并由灌封的聚氨酯固定。
26.图2为布拉格光纤光栅温度传感器8结构示意图。布拉格光纤光栅温度传感器8由布拉格光纤光栅11、保护外壳12、转接管13、光纤护套14和光纤22组成。布拉格光纤光栅11 是通过处理在光纤22中形成的掺杂-未掺杂周期性结构，这种结构能够对特定波长的光波产生反射作用。同时，应力变化和温度变化能够改变该结构反射作用起作用对应的波长。保护外壳12为一端封口的金属薄壁圆管，保护外壳12和待测表面紧密接触。布拉格光纤光栅11 在保护外壳12内处于完全自由状态，不受外界应力干扰，仅对环境温度敏感。同时布拉格光纤光栅11不受环境应力影响，长期可靠性好。转接管13用于连接保护外壳12和光纤护套 14，光纤护套14和光纤22构成了测试光纤9。布拉格光纤光栅温度传感器8单端出纤，测
温精度高，可达0.1℃。布拉格光纤光栅温度传感器8测试和传导均通过光信号实现，避免了换能器内部强电场或磁场对测试结果的干扰。
27.布拉格光纤光栅对于特定波长的光波具有反射作用，该被反射光波的波长与布拉格光栅的所受应力和温度有关。保护外壳将布拉格光纤光栅保护在金属薄壁圆管中，避免布拉格光纤光栅因应力改变反射光波波长和损坏。因此，将布拉格光纤光栅入射光波设为宽带光波，当布拉格光纤光栅温度传感器温度发生改变，布拉格光纤光栅温度传感器反射光波的波长也随之改变。因此，封装后的布拉格光纤光栅温度传感器只要经过标定，得到热膨胀系数与热光系数，即可通过测试光纤布拉格光栅反射光的波长变化来确定环境温度变化。
28.图5为换能器上盖板3示意图。上盖板上有安装水密接插件的通孔a15和安装水密插座的通孔b16。
29.图3、6为水密插座10结构示意图。水密插座10由金属圆管17、保护管19、凹槽20和安装孔21组成，水密插座10外部中段设有固定平台18，固定平台18设置在上盖板3和水密灌封层7之间，用于固定水密插座安装深度和承受水密插座所受水压。金属圆管17内部过光纤，并将剩余空间用硬质防水胶封堵。固定平台18在金属圆管17插入通孔b16时，与上盖板3的外表面配合，起到承受水密插座10所受水压和固定的作用。保护管19是为了保护从金属圆管17引出的光纤在测量及搬运的过程中不会在金属圆管17的管口处摩损或折断。凹槽20安装o型密封圈，并与安装孔21配合，用于无水密灌封层7换能器的水密处理；去耦材料23主要起到隔离壳体1和盖板3之间的振动的作用。
30.所述的水密插座10由金属圆管17、保护管19和凹槽20组成，水密插座10朝向换能器外部的一端设有与金属圆管17连接的保护管19，金属圆管17穿过测试光纤9后采用硬质防水胶封堵，凹槽20上安装有o型密封圈，用于上盖板3与水密插座10的密封。
31.本实施例中，以弯张换能器为对象，利用本实用新型提出的可在线监测温度变化的换能器，具体装配过程包括以下几步：
32.步骤1：首先，将压电单晶片用环氧树脂胶堆叠粘接形成压电堆2。接着将布拉格光纤光栅温度传感器8用胶粘接到想要测试的压电堆2或换能器外壳1表面某点。然后再将压电晶堆2放入换能器外壳1中。
33.步骤2：在水密插座10中穿过光纤后，用硬质防水胶对水密插座进行封堵，将水密接插件5和水密插座10安装到上盖板3中。接着将布拉格光纤光栅温度传感器8尾部引出的光纤与水密插座10中的光纤进行熔接。
34.步骤3：将上盖板3和下盖板4合在换能器外壳1的上下两端，通过模具将上盖板3、下盖板4和换能器外壳1用聚氨酯灌封水密。
35.本实用新型在换能器现有设计上进行改进，通过内置布拉格光纤光栅温度传感器，能够实时监测换能器温度变化。一方面有利于掌握换能器动态工作特性，尤其是对于某些温度敏感的换能器，为换能器热性能研究提供了便利；另一方面，对于发热量较大的换能器，实时监测换能器温度有利于掌握换能器工作环境，避免温度过高对造成换能器损坏。
36.可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
技术特征：1.一种可在线测温的水声换能器，其特征在于：主要包括换能器外壳(1)、若干个布拉格光纤光栅温度传感器(8)、测试光纤(9)和水密插座(10)，所述的布拉格光纤光栅温度传感器(8)固定于换能器内部待测表面，布拉格光纤光栅温度传感器(8)尾部引出测试光纤(9)，测试光纤(9)通过水密插座(10)穿出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。2.根据权利要求1所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述换能器由换能器外壳(1)、压电堆(2)、上盖板(3)、下盖板(4)、水密接插件(5)、电极(6)和水密灌封层(7)构成了水声换能器的基本结构，上盖板(3)和下盖板(4)设置在换能器外壳(1)的上下两端并在内部形成一个密封的腔体，上盖板(3)和下盖板(4)外面设置有水密灌封层(7)，腔体内设有压电堆(2)、布拉格光纤光栅温度传感器(8)和电极(6)，上盖板(3)上设置有水密接插件(5)和水密插座(10)；压电堆(2)为换能器的驱动结构，由厚度极化的压电单晶片极化方向相反堆叠而成，所有压电单晶片并联后通交流电，压电堆(2)沿堆叠方向往复振动，电极(6)为薄铜片，夹在两片压电单晶之间，用于联通压电单晶片表面银镀层和导线。3.根据权利要求1所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述的布拉格光纤光栅温度传感器(8)由布拉格光纤光栅(11)、保护外壳(12)、转接管(13)、光纤护套(14)和光纤(22)组成，光纤护套(14)和光纤(22)构成了测试光纤(9)，转接管(13)连接保护外壳(12)和光纤护套(14)；所述的布拉格光纤光栅(11)位于保护外壳(12)内，保护外壳(12)和待测表面紧密接触；保护外壳(12)一端封闭，另一端引出测试光纤(9)，布拉格光纤光栅(11)于保护外壳(12)内处于应力自由状态。4.根据权利要求1或2或3所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述的布拉格光纤光栅温度传感器(8)通过粘接、夹持或嵌合固定于换能器内部待测表面。5.根据权利要求3所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述的保护外壳(12)材质为导热性能良好的硬质材料。6.根据权利要求1或2所述的可在线测温的水声换能器，其特征在于：所述的水密插座(10)由金属圆管(17)、保护管(19)和凹槽(20)组成，水密插座(10)外部中段设有固定平台(18)，固定平台(18)设置在上盖板(3)和水密灌封层(7)之间，用于固定水密插座安装深度和承受水密插座所受水压；水密插座(10)朝向换能器外部的一端设有与金属圆管(17)连接的保护管(19)，金属圆管(17)穿过测试光纤(9)后采用硬质防水胶封堵，凹槽(20)上安装有o型密封圈，用于上盖板(3)与水密插座(10)的密封。
技术总结本实用新型提供了一种可在线测温的水声换能器，主要包括换能器外壳、若干个布拉格光纤光栅温度传感器、测试光纤和水密插座，所述的布拉格光纤光栅温度传感器固定于换能器内部待测表面，布拉格光纤光栅温度传感器尾部引出测试光纤，测试光纤通过水密插座穿出换能器与波长解调设备相连接，构成测试光路。本实用新型的有益效果为：解决了水声换能器工作时内部温度未知的问题，可用于为验证、分析、优化换能器热性能提供技术支撑，也能避免换能器因温度过高而损坏的风险。本实用新型可在线测温的换能器具有适用性广、温度检测精度高的特点。温度检测精度高的特点。温度检测精度高的特点。
技术研发人员：周利生 高伟 李东明 高健 张会超 许欣然
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
技术研发日：2021.09.09
技术公布日：2022/7/5
