CN103293334B - 流速计声学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的流速计声学传感器，涉及海流计量设备技术领域，包括当通电时分别开始测量的第一组、第二组、第三组和第四组换能器，每组的换能器同心对照，每个换能器在水流中发射CW超声脉冲信号，同组的换能器间形成测量声轴，每个换能器同时检测接收同组换能器发射的经介质传播过的CW脉冲声波信号。本发明创造的传感器对流场扰动的敏感度降低，而且具有更高的精度和准确性。

Description

流速计声学传感器

技术领域

本发明涉及流速测量设备技术领域，更具体的，涉及海流计量设备。

背景技术

随着海洋开发和研究的深入，海洋流速参数是海洋物理、海洋气候学非常关心的重要数据对象；同时该参数也为水声界，水文水利界等军事和国民经济部门所关心和重视。测量海洋流速参数的流速测量仪器有多种，包括电磁式流速计、涡街式流速计及多普勒式流速计等。

电磁式流速计采用电磁流速传感器，该传感器受海水电导特性影响大，功耗高，且不适合淡水环境使用；涡街式流速计使用机械转子式流速传感器，其转子机械结构的灵敏度低，尤其不适合低流速的大洋洋流的测量，且易受海洋生物、污染物的影响。另外，这两种流速仪均只适合于一维流速的测量。

三维流速测量仪器则主要有多普勒流速计和综合时差法流速计两种，在大洋流速测量和考察中，由于清澈海水的悬浮物少、水质透明，超声多普勒流速计传感器接收回波信号弱，测量灵敏度低而且精度也受到影响，因此超声式多普勒流速计传感器不适合清澈海水的流速测量。而在我国近海混浊水海域，水质过于混浊，超声多普勒流速计传感器接收信号回波干扰较大，测量精度也受一定的影响。因此综合时差法流速计在上述环境下具有显著的优势，时差法三维流速测量仪器的核心部件是声学传感器，其声波传播距离固定且较短、回波信号大、抗干扰能力强，且不受流体介质的声速、密度、浑浊度的影响，测量精度高。

对于三维流速的测量，通常只需要三个互成一定角度的测量声轴即可实现。一般结构可以是成对的传感器按照三维立体结构安装，也可以通过声学发射镜结构反射声波构成三维测量声轴，但这些方法的安装支架复杂，必然会对测量点的流速造成一定的影响，而且必然有一个测量声轴处于支架遮蔽的阴影区而影响测量的精度和测量结果，进而影响流速测量在水平方向和垂直方向的余弦响应。

如专利号为US005373736A的美国专利公开了一种声学流速计，当通电时换能器分别开始测量，并在水流中发射CW脉冲及检测水流中CW脉冲；换能器将接收到的回波信号与发射的CW脉冲信号进行相位比较确定相移；并通过比较在声传播路径两端的两个相对的换能器同时发射的CW脉冲回波经历的不同相移来消除尾流污染，进而确定水流速度。但该声学流速计的声学传感器部件使用压电陶瓷换能器通过机械结构部件按照一定角度夹持安装，然后为了保持压电陶瓷换能器的安装稳定性，通过模具将压电陶瓷换能器和机械结构一同灌封以保证在水流冲击时的稳定性。这种结构对安装工艺和异形模具的加工要求高，同时模具的灌封复杂、成品率较低，灌封后的声学传感器部件结构体积较大，对流场的影响也较大，因此不适合测量较高的水体流速。

发明内容

本发明创造所要解决的技术问题是提供一种对流场扰动的敏感度大大降低而且具有更高的精度和准确性的声学流速计。

本发明创造为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明创造的流速计声学传感器，包括当通电时分别开始测量的第一组、第二组、第三组和第四组换能器，每组的换能器同心对照，每个换能器在水流中发射CW超声脉冲信号，同组的换能器间形成测量声轴，每个换能器同时检测接收同组换能器发射的经介质传播过的CW脉冲声波信号。

进一步的，所述四组换能器与确定每个测量声轴上回波信号相对于发射的CW脉冲信号的时差，确定流速在该测量声轴的流速分量，进而确定水流速度的流速计水密电子舱连接。

进一步的，所述测量声轴等长。

进一步的，所述换能器以两个呈一定角度设置在与中心安装杆垂直连接的横杆的任一端的球形部位上。

进一步的，所述中心安装杆上设置两个横杆，第一根横杆和第二根横杆在水平平面上互相垂直，而在垂直平面彼此分开；所述第一根横杆一端球形部位上的两个换能器分别与第二根横杆两端的球形部位上一个换能器同心对照设置构成两组换能器。

进一步的，所述横杆由两根平行传感器安装杆对接构成，传感器安装杆一端定位面分别与中心安装杆上的定位面、对接定位，传感器安装杆另一端设置球形部位。

进一步的，所述中心安装杆内部设有引线空腔，一端设有密封堵头。

进一步的，所述传感器安装杆内设有引线空腔；球形部位上设有安装定位、密封换能器的表面需要经喷砂处理的安装槽、，还设有密封承压槽、。

进一步的，所述密封承压槽、及引线空腔内灌封橡胶，并与换能器的背衬后部的橡胶连通；背衬依次与压电陶瓷片、声学匹配层连接构成换能器，声学匹配层外设置密封层固定、水密封换能器；密封承压槽处的橡胶承受的压力传递给背衬并作用到压电陶瓷片的背面，与密封层传递至压电陶瓷片正面的的压力相平衡，构成压力平衡结构。

进一步的，压电陶瓷片的连接导线经密封承压槽和引线空腔引入流速计电子舱。

由于采用了上述技术方案，本发明创造具有如下有益效果：

1、本发明创造通过将换能器安装槽及传感器安装杆与中心安装杆连接的定位面经喷砂处理，以保证后续灌封工艺的高耐压水密特性。从而使本发明创造的流速计声学传感器应用于大洋洋流的剖面测量时，能够满足从水体表面至几千米深的海水垂直分布各点的流速测量需要。

2、压力平衡结构的设置，保证了流速计传感器内部的压电陶瓷部件内外压力均衡，避免压力引起的传感器零点漂移对测量精度的影响。

3、本发明创造的流速计声学传感器的机械结构在保证耐压能力的前提下，将传感器安装杆与中心连接杆的结合处及换能器与传感器安装杆的结合处设置为流线型，结构简洁，减少了对流场的影响，从而提高测量精度。

4、声学匹配层与压电陶瓷片粘接，实现提高超声波换能器的灵敏度、较少透射衰减损失。

附图说明

图1为本发明优选实施例的总体结构示意图。

图2本发明优选实施例的中心安装杆的水平剖面示意图。

图3是图2的局部视图B。

图4是图2的局部视图C。

图5本发明优选实施例的传感器安装杆的水平正向透视示意图。

图6是图5的A－A剖面图。

图7本发明优选实施例的传感器安装杆水密灌封后的剖面示意图。

图8是图7的局部视图。

图9本发明的四个测量声轴组成的三维流速超定解算示意图。

具体实施方式

结合图1，中心安装杆1上设置四个传感器安装杆2、3、4、5，平行的传感器安装杆2、3通过定位密封件6与中心安装杆1结合构成横杆一；平行的传感器安装杆4、5通过定位密封件7与中心安装杆1结合构成横杆二；传感器安装杆远离中心安装杆1端设有球形部位。第一根横杆和第二根横杆在水平平面上互相垂直，而在垂直平面彼此分开，构成立体十字交叉结构的三维超声波流速计声学传感器。中心安装杆1的端面密封部位8通过螺钉和流速计水密电子舱相连接。每个传感器安装杆的球形部位成一定角度安装有两个超声波换能器，上横杆一端球形部位上的两个换能器分别与下横杆两端的球形部位上一个换能器同心对照设置构成两组换能器。每个换能器在水流中发射CW超声脉冲信号，同组的换能器间形成测量声轴，即图中虚线所示；每个换能器同时检测接收同组换能器发射的经介质传播过的CW脉冲声波信号。由于流速引起传播速度变化，换能器接收的声波形成一定的时间差，通过水密电子舱确定每个测量声轴上回波信号相对于发射的CW脉冲信号的时差，确定流速在该测量声轴的流速分量，进而确定水流速度。也可通过相位差法或者相关法测量流速在该测量声轴的流速分量。

结合图2、3和4，中心安装杆1内部设有引线空腔11，中心安装杆1小端设有密封堵头9，通过O型密封圈12、13进行水密密封；中心安装杆1外径上的定位面10、14为为传感器安装杆与中心安装杆的定位面，O型密封圈15为传感器安装杆与中心安装杆的密封结构。通过合理的设计并缩小安装结构的尺寸，保证了良好的水密性和较小的结构尺寸，降低了对流场的影响。

结合图5，传感器安装杆的球形部件上设有一定角度的超声波换能器安装槽16、17，用于安装定位、密封高频超声波换能器，并保证测量声轴上对应的两个超声波换能器的同心和平行度，从而保证测量角度的准确性和流速测量精度。传感器安装杆的定位面18与图4中的定位面14对接定位，通过O型密封圈15进行密封，实现传感器安装杆和中心安装杆的密封结合。其中，安装槽16、17、定位面18的表面需要经过喷砂处理，以保证后续灌封工艺的高耐压水密特性。

结合图6和图7，传感器安装杆内设有引线空腔21，密封承压槽19、20；聚氨酯橡胶灌封在其内，在密封承压槽19、20处分别形成聚氨酯橡胶填充23、22，在引线空腔21处形成聚氨酯橡胶填充24。聚氨酯橡胶和安装槽16、17、定位面18的喷砂表面牢固粘接，保证了超声波换能器的水密特性。聚氨酯橡胶填充22、23与超声波换能器的背衬26后部的聚氨酯橡胶连通。当聚氨酯橡胶填充22受到外部压力时，将压力传递给背衬26并作用到压电陶瓷片27的背面，与压电陶瓷片27的正面的压力相平衡，构成压力平衡结构。压电陶瓷片27的引接导线25经由密封承压槽19、引线空腔21、中心安装杆的引线空腔11引入流速计电子舱。

结合图8，压电陶瓷片的金属背衬26作用为降低超声波换能器的余振，同时提高高频超声波换能器的带宽，和压电陶瓷片27通过环氧树脂粘接；声学匹配层28通过环氧树脂和压电陶瓷片27粘接；环氧树脂外密封层29用于固定、水密密封超声波换能器。本实施中，金属背衬26、压电陶瓷片27和声学匹配层28共同构成超声波换能器。

结合图9，四组超声波换能器30、31、32、33、34、35、36、37分别安装在传感器安装杆2、3、4、5的端头部位。测量声轴38、39、40、41等长，通过机械加工精度保证，最大角度误差小于0.2度。选取38、39、40、41任意三个测量声轴即可解算出三维流速矢量值。下面给出38、39、40解算流速的解算公式：

l、m、n为流速V分别在38、40、39上的流速分量平移到三维坐标原点处的空间点，其空间坐标为(l_x,l_y,l_z)(m_x,m_y,m_z)(n_x,n_y,n_z)，(P_x,P_y,P_z)为流速矢量值的中点坐标。P点到l,m,n的距离相等，可得解算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{(l_x-P_x)}^2+{(l_y-P_y)}^2+{(l_z-P_z)}^2={(V/2)}^2\\ {(m_x-P_x)}^2+{(m_y-P_y)}^2+{(m_z-P_z)}^2={(V/2)}^2\\ {(n_x-P_x)}^2+{(n_y-P_y)}^2+{(n_z-P_z)}^2={(V/2)}^2\\ {\left(P_x\right)}^2+{\left(P_y\right)}^2+{\left(P_z\right)}^2={(V/2)}^2\end{array}\right.$

根据公式可以得到一个测量结果，再分别解算测量声轴38、39、41；测量声轴38、40、41；测量声轴39、40、41即可得到四个流速测量结果，进行平均后再根据流速方向选择没有支架屏蔽的一组数据即可得到高精度的流速测量结果。

本发明创造使用四个测量声道轴完成三维流速的超定测量，当支架遮蔽任何处于流场中的任何一个测量声轴时（同时只能遮蔽一个测量声轴），通过计算选择另外三个没有遮蔽的测量声轴完成矢量流速的解析。因此相对于三个测量声轴的结构，本发明创造对流场扰动的敏感度大大降低而具有更高的精度和准确性。

Claims (5)

1.流速计声学传感器，包括当通电时分别开始测量的第一组、第二组、第三组和第四组换能器，每组的换能器同心对照，每个换能器在水流中发射CW超声脉冲信号，同组的换能器间形成测量声轴，每个换能器同时检测接收同组换能器发射的经介质传播过的CW脉冲声波信号；所述换能器以两个呈一定角度设置在与中心安装杆垂直连接的横杆的任一端的球形部位上；所述中心安装杆上设置两个横杆，第一根横杆和第二根横杆在水平平面上互相垂直，而在垂直平面彼此分开；所述第一根横杆一端球形部位上的两个换能器分别与第二根横杆两端的球形部位上一个换能器同心对照设置构成两组换能器；所述横杆由两根平行传感器安装杆对接构成，传感器安装杆一端定位面(18)分别与中心安装杆上的定位面(10)、(14)对接定位，传感器安装杆另一端设置球形部位；所述传感器安装杆内设有引线空腔(21)；球形部位上设有安装定位、密封换能器的表面需要经喷砂处理的安装槽(16)、(17)，还设有密封承压槽(19)、(20)；其特征是：所述密封承压槽(19)、(20)及引线空腔(21)内灌封橡胶，并与换能器的背衬(26)后部的橡胶连通；背衬(26)依次与压电陶瓷片(27)、声学匹配层(28)连接构成换能器，声学匹配层(28)外设置密封层(29)固定、水密封换能器；密封承压槽(20)处的橡胶承受的压力传递给背衬(26)并作用到压电陶瓷片(27)的背面，与密封层(29)传递至压电陶瓷片(27)正面的的压力相平衡，构成压力平衡结构。

2.根据权利要求1所述的流速计声学传感器，其特征是：所述四组换能器与确定每个测量声轴上回波信号相对于发射的CW脉冲信号的时差，确定流速在该测量声轴的流速分量，进而确定水流速度的流速计水密电子舱连接。

3.根据权利要求1所述的流速计声学传感器，其特征是：所述测量声轴等长。

4.根据权利要求1所述的流速计声学传感器，其特征是：所述中心安装杆内部设有引线空腔(11)，一端设有密封堵头(9)。

5.根据权利要求1所述的流速计声学传感器，其特征是：所述压电陶瓷片(27)的连接导线经密封承压槽(19)和引线空腔(21)引入流速计电子舱。