一种复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列

技术领域

本发明涉及湍流激励测试技术领域，尤其是一种复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列。

背景技术

湍流边界层脉动压力是一种面分布的随机激励力源，需要采用统计方法进行描述。湍流脉动压力的频率-波数谱定量地描述了脉动压力与结构相互作用的时空耦合特征。一旦湍流脉动压力输给结构的功率确定，再考虑结构与内外流体的耦合作用，即可确定结构的振动和声辐射。水下航行体表面三维流动状态及其流动激励载荷，尤其是附体及上层建筑与艇体结合部位的流激载荷与水下航行体流激水动力噪声关系密切。既是航行体水动力学研究的前沿问题，又是必须要解决的关键技术。

为了准确预报和控制水下航行体的水动力噪声，需要掌握航行体附体及上层建筑等弯曲表面存在势流压力梯度时的非均衡湍流边界层脉动压力的波数－频率谱特性。国外对湍流边界层脉动压力随机激励力的定量描述主要是基于平面刚性界面湍流脉动压力时空测量，给出其流向及横向相关性，再利用时空变换给出其波数-频率谱。此类方法主要解决平面模型及结构线型曲率变化不大模型激励力问题，对于航行体附体、上层建筑与艇体结合部位等模型曲率变化较大的模型来说，采用平板模型得到的湍流边界层脉动压力频率-波数谱，可能带来较大误差。国内在实验分析研究平板或小曲率模型水动力载荷时，多在实验室中采用散点传感器或硬板传感器阵列进行湍流边界层脉动压力频率-波数谱测试，该阵列可以开展任意曲面湍流边界脉动压力测试。

水下航行体表面尤其是突体、附体及上层建筑与艇体结合部位线型复杂，有一定的空间曲率，需保证测试传感器阵列完全贴合于物体表面，不影响表面线性。现行硬板测试阵列仅能适用于平面或大曲率类似平面模型的试验，传感器的间距大造成空间分辨率较低，严重影响水下航行体流激水动力噪声的预报精度。此外测试阵列采用顶部进声传感器，阵列表面采用与电路元器件等高的塑料板齐平，要求的加工精度高但表面仍存在较多缝隙。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列。

本发明的技术方案如下：

一种复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列，所述传感器阵列包括：预定数量底部入声的MEMS传感器、柔性电路板、钢片；

所述柔性电路板包括元件面和焊接面，在所述元件面和所述焊接面布线，在所述元件面布置元器件；

各个所述MEMS传感器按照电路设计的预定位置焊接在所述柔性电路板的元件面，所述柔性电路板上设置有与所述MEMS传感器的底部入声孔对应的第一进声孔；

所述钢片固定在所述柔性电路板的焊接面，所述钢片上设置有与所述MEMS传感器的底部入声孔对应的第二进声孔。

其进一步的技术方案为：所述MEMS传感器为贴片式封装，所述MEMS传感器的底部入声孔贴于所述柔性电路板的元件面上。

其进一步的技术方案为：所述第一进声孔大于所述底部入声孔，所述第二进声孔大于或等于所述第一进声孔。

其进一步的技术方案为：所述MEMS传感器连接有信号引出接头，所述信号引出接头用于连接信号采集仪；

各个所述MEMS传感器的信号引出接头集中布置在所述元件面的预定区域内。

其进一步的技术方案为：所述柔性电路板上设置有螺栓孔，所述螺栓孔设置在所述MEMS传感器的预定位置和所述信号引出接头的预定区域以外的位置；

在所述元件面上，所述螺栓孔的周边设置有加强凸起；

所述钢片上与所述螺栓孔对应位置处设置有螺栓孔倒角，所述螺栓孔倒角的尺寸与平头螺丝匹配，所述平头螺丝与所述螺栓孔倒角之间的缝隙部位采用填缝材料抹平。

其进一步的技术方案为：所述柔性电路板的元件面被埋藏于被测复杂界面的预置凹槽内；

在精确开槽的模型中，所述被测复杂界面指模型外壳，所述模型外壳上开设有螺栓孔、信号接头通孔和元件凹槽；

在非精确开槽的模型中，所述模型还包括具有所述模型的测点位置表面线型的模型衬底，所述被测复杂界面指所述模型衬底，所述模型衬底上开设有螺栓孔、信号接头通孔和元件凹槽；

所述信号接头通孔与所述信号引出接头的预定区域对应，所述元件凹槽与所述MEMS传感器的预定位置对应。

本发明的有益技术效果是：

通过选用底部入声的MEMS传感器，贴附在柔性电路板的元件面，依靠底部入声的MEMS传感器、柔性电路板以及另一面布置的整板加强的钢片实现表面平整模型界面，有利于误差控制，通过优化空间布局提升了测试精度与可靠性，便于安装拆卸，可多次重复使用。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列的示意图。

图2是本发明一个实施例提供的传感器阵列的柔性电路板元件面的示意图。

图3是本发明一个实施例提供的传感器阵列的钢片面的示意图。

图4是本发明一个实施例提供的复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列的安装示意图。

图5是本发明一个实施例提供的模型衬底的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明一个实施例提供的复杂界面湍流边界层脉动压力测试的传感器阵列的示意图，如图1所示，该传感器阵列包括：预定数量底部入声的MEMS传感器1、柔性电路板(英文：Flexible Printed Circuit，简称：FPC)2、钢片3。

柔性电路板2包括元件面和焊接面，在元件面和焊接面布线，在元件面布置元器件。元件面用于安装元器件，焊接面为元件面的背面。

各个MEMS传感器1按照电路设计的预定位置焊接在柔性电路板2的元件面，柔性电路板2上设置有与MEMS传感器1的底部入声孔11对应的第一进声孔21。

可选的，MEMS传感器1为贴片式封装，MEMS传感器1的底部入声孔11贴于柔性电路板2的元件面上。

柔性电路板2具有较好的可挠性，可以自由弯曲、卷绕、折叠，可以承受数百万次的动态弯曲而不折损。

由于MEMS传感器1为贴片式封装，MEMS传感器1的焊接面和元件在同一面，并且MEMS传感器1为底部入声，因此MEMS传感器1的入声孔贴在柔性电路板2的元件面上。

在实际应用中，柔性电路板2上的元器件在一般情况下均采用贴片式封装。

在实际应用中，柔性电路板2上还会安装电路所需的外围元件，柔性电路板2会预先根据电路原理图、元件封装、安装需求等进行电路设计，控制各个MEMS传感器1的间距，集中布置所有元器件。柔性电路板2的布板设计，元件尺寸、第一进声孔、螺栓孔等均在柔性电路板2上预留体现，印刷电路板过程中进行整板加强及元件面布局加强，并完成螺栓孔、第一进声孔的打孔，在焊接过程中，全程是机器定位焊接，MEMS传感器1以及外围电路将并排贴于柔性电路板2上。

对于MEMS传感器1的选型，需要根据复杂界面湍流边界层脉动压力波数-频率谱测试指标要求，在选型时，需要满足入声孔直径小、传感器尺寸小、带宽范围大、频响波动小、频谱-相位一致性佳的选型要求。示例性的，入声孔直径小于0.4mm，传感器宽小于4mm，带宽范围再10Hz～10kHz，频响波动小于±1dB，频谱一致性小于±0.5dB，相位一致性小于±2°。

钢片3固定在柔性电路板2的焊接面，钢片3上设置有与MEMS传感器1的底部入声孔11对应的第二进声孔31。

钢片3为与柔性电路板2对应的整板加强钢片，钢片3固定在柔性电路板2的焊接面，既调整了柔性电路板2的柔韧性，又提高了柔性电路板2的强度，使得柔性电路板2的焊接面(背面)光整，保证了传感器阵列完全贴合于物体表面，不需要额外措施进行表面平整，保证了表面线型。传感器阵列的一面通过光滑平整的加强钢片作为被测物体新界面，保证了界面的光顺平整。

可选的，钢片3可以选用304不锈钢。

可选的，第一进声孔21大于底部入声孔11，第二进声孔31大于或等于第一进声孔21。保证了对MEMS传感器1的底部入声孔11没有遮挡。

MEMS传感器1连接有信号引出接头，信号引出接头用于连接信号采集仪。

本发明实施例中的传感器阵列的信号需要引入到信号采集仪中分析处理，因此传感器的信号需要引出。

结合参考图2，各个MEMS传感器1的信号引出接头集中布置在元件面的预定区域22内。

可选的，结合参考图2，柔性电路板2上设置有螺栓孔，螺栓孔设置在MEMS传感器1的预定位置和信号引出接头的预定区域22以外的位置，螺栓孔是通孔。

在柔性电路板2的元件面上，螺栓孔的周边设置有加强凸起23。

如图3所示，钢片3上与螺栓孔对应位置处设置有螺栓孔倒角32，螺栓孔倒角32的尺寸与平头螺丝匹配，平头螺丝与螺栓孔倒角32之间的缝隙部位采用填缝材料抹平。

钢片3的正面排列有第二进声孔31的进声孔线阵分布33，相邻两个第二进声孔31间隔间距34。

在钢片3上设置螺栓孔倒角32，是为了保证安装时，平头螺丝与钢片3齐平，从而保证被测物体表面齐平。

通过平头螺丝与螺栓孔配合对传感器阵列进行固定，使得传感器阵列拆卸方便，可以重复使用。

柔性电路板2的元件面被埋藏于被测复杂界面的预置凹槽内。

在精确开槽的模型中，被测复杂界面指模型外壳，模型外壳上开设有螺栓孔、信号接头通孔和元件凹槽。

可选的，精确开槽的模型可以是有一定厚度的木模。

对于精确开槽的模型，本发明实施例中的传感器阵列直接安装在模型外壳上。

在非精确开槽的模型中，如图4所示，模型还包括具有模型的测点位置表面线型的模型衬底4，被测复杂界面指模型衬底4，结合参考图5，模型衬底4上开设有螺栓孔41、信号接头通孔42和元件凹槽43。

可选的，非精确开槽的模型无法精确开槽，比如玻璃钢模型，对于非精确开槽的模型，可进行模块化衬底设计，根据传感器阵列尺寸及被测模型测点位置，加工具有被测模型测点位置表面线型并具有一定厚度的模型衬底4，并依此模型衬底4表面开设元件凹槽、螺栓加强部位凹槽、螺栓孔、信号接头通孔，可选的，模型衬底4可以是金属衬底。

信号接头通孔42与信号引出接头的预定区域22对应，元件凹槽43与MEMS传感器1的预定位置对应。

对于非精确开槽的模型，如图4所示，本发明实施例中的传感器阵列、模型衬底4与模型外壳5固定在一起。

可选的，本发明实施例还提供一种传感器阵列的设计安装流程：

第一步，元件选型。根据传声器元件的基本选型原则及底部入声的封装形式，选择一款硅微麦克风。示例性的，所选的型号为SPU1410LR5H-QB，其1kHz灵敏度为-38dBV/pa，10Hz～10kHz带宽范围内，偏差小于±1dB，元件尺寸为长宽厚3.76mm*3.00mm*1.10mm，声孔直径为0.25mm。

第二步，电路设计。根据电路原理图及尺寸要求，进行PCB设计。传感器单元之间的间距决定阵列波数域的分析上限，传感器的数量决定波数域的分辨率。示例性的，控制传感器单元(即MEMS传感器1)间距为1.2mm，则声孔间距为4.2mm；传感器单元数量为17，则声孔的总长为71.2mm，合理布置信号引出接头及安装螺栓孔位置，直径4mm，PCB长宽为100mm*50mm。

第三步，FPC及加强。传感器阵列采用柔性电路板2，另一面使用0.2mm厚的整板加强钢片3，在钢片3的传感器声孔对应位置处开直径0.3mm的第二进声孔。元件面用FR-4局部加强螺栓孔，并在整板加强钢片3对应位置开设螺栓孔倒角。

第四步，阵列安装。根据阵列尺寸及元件分布，在被测模型表面开元件凹槽、螺栓加强部位凹槽以及信号接头通孔，用平头螺丝安装固定测试阵列，螺栓与阵列接缝及阵列与模型表面接缝填料保证表面平整。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。