CN106885591B - 深水抗压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明根据深海环境的特点，提供了一种能适应深水高压环境，防水防潮性好，价格低廉性能稳定的传感器，尤其是一种在万一出现渗漏的情况下具有自我修复功能的深水抗压传感器。这种深水抗压防渗水的传感器，在壳体的开口处的密封胶内侧，有憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物作为防水密封材料，在万一传感器壳体开口处的密封胶出现密封破坏而渗水时，或者密封胶与壳体之间出现密封破坏时，膨胀材料遇水后膨胀即体积增大，从而在渗水区域附近会形成一个较大的内压力，挤压混合在一起的憎水材料，当内部的挤压力大于或者等于外部水压力，则可以重新封堵密封胶渗水的缝隙，起到自动修复密封胶的作用。

Description

深水抗压传感器

技术领域

本发明属于电子电气技术领域，具体涉及一种应用于深海探测领域的传感器。

背景技术

海平面1000米以下的深海，是地球上最宁静而神秘的地方，那里生存着古老的原核生物，那里还蕴藏着丰富的资源，它们对人类未来的生存意义非凡。对于拥有300多万平方公里“蓝色国土”的中国来讲，能否去深海具有相当的现实意义：海洋深处存在着大量的矿产资源，也存在着极端环境下的生物。这些生物及其基因资源有巨大的科研和经济价值，是全球海洋科学家研究的热点。

我国的深海科技发展计划包括综合大洋钻探船、深潜技术和海底观测网三大部分。其中，海底观测网将通过有线和无线网络向各个观测点供应能量、收集信息，从而实现全天候、长期、连续的自动观测。海底观测网络是指能够对海底区域进行长期实时探测、传输数据、采集分析样品以及进行原位实验的海底无人网络系统，它由光电复合缆、基站以及一系列的水下监测设备和控制仪器组成。作为一种可以实现对海底进行长期实时观测的新型平台，海底观测网络将是继地面与海面(第一个观测平台)和空中遥测遥感(第二个观测平台)之后，人类探测海洋的第三个观测平台，也是国家安全、环境保护、资源开发和减灾防灾所不可缺少的基础技术和信息获取手段。

上述工程中，需要有大量的传感器长期在深水中工作，对防水防渗性能要求特别高。现有设备一般是采用专门设计的传感器不锈钢外壳，并在不锈钢外层又有一层陶瓷，使得传感器进行双重防护，使其抗水压能力高达10MPa，可以长期在水中工作。其防水密封，主要是通过密封材料进行防水。

发明内容

现有技术制造的传感器防潮防湿能力虽然不错，但在高压水下环境中工作时，传感器还是有可能出现密封失败的情况。因水有一定的导电性，当水渗透到传感元件时直接会造成传感器性能下降或不稳定，从而不能准确采集信号，严重时可使传感器失效，影响考察研究工作。

现有技术的传感器在传感元件表面，设置有多层用于防水防潮的密封层，在深海领域里，传感器所处的环境恶劣，传感器周围的水压很大，密封层与传感元件之间，以及不同的密封层之间，都可能形成裂缝，一旦形成裂缝，在强大的水压下，很快就会使防水层破坏，大量的水进入传感元件，损坏传感器。

本发明根据深海环境的特点，提供了一种能适应深水高压环境，防水防潮性好，价格低廉性能稳定的传感器，尤其是一种在万一出现渗漏的情况下具有自我修复功能的深水抗压传感器。 为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

深水抗压传感器，包括壳体和设置在壳体内的传感元件，传感元件是深水抗压传感器的核心部件，安装在壳体内部；壳体是抵抗深水水压的防线，使用金属、陶瓷或者其他非金属高分子材料制造，一般很少发生问题。为了制造、检修或者穿过通讯电缆等需要，壳体上需要有一个以上的开口，这个开口是防水成败的关键，绝大部分渗漏都是在这个开口位置。根据传感器的种类不同及其功能需要，所述壳体可以呈圆棒状，壳体开口处有朝内侧翻转的折边。壳体也可以呈球状，壳体开口处有朝内侧翻转的折边，壳体设计成球状可承受更高的水压力，尤其适宜于海沟等超高压力的超深水域中使用。

壳体的开口处外侧有密封胶，密封胶和折边压槽等形成一个整体，抵御传感器内外的压力和防止外侧水向传感器内部渗透，既是防水和抵抗水压的第一道防线，也可以阻止内部的憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物在遇水膨胀时挤压出壳体。壳体的开口处内侧有憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物作为防水堵漏材料，形成防水的第二道防线。所述壳体开口处内侧的憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物，混合物可以呈粉末状，也可以呈泥浆状。粉末状的混合物，可以是两种以上的粉末状材料混合而成，也可以是一种以上的粉末材料和一种以上的液体材料混合而成，还可以是一种以上的粉末状填充材料和憎水材料和膨胀材料混合而成。粉末状的密封材料不仅便于制造时的填充封装，而且在壳体开口处的密封胶出现裂缝时，粉末状或者泥浆状的混合物可以在小范围内移动，能够主动移动到裂缝处，并将裂缝填充堵塞。

在壳体的开口处的密封胶内侧，有憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物作为防水密封材料，在万一传感器壳体开口处的密封胶出现密封破坏而渗水时（或者密封胶与壳体之间出现密封破坏时），膨胀材料遇水后膨胀即体积增大，从而在渗水区域附近会形成一个较大的内压力，挤压混合在一起的憎水材料，当内部的挤压力大于或者等于外部水压力，则可以重新封堵密封胶渗水的缝隙，起到自动修复密封胶的作用。

壳体开口处内侧的憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物中，憎水材料的体积比为25%~ 95%，膨胀材料的体积比为5%~ 65% 。但是通过试验证明，憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物中，憎水材料的体积比为35%~ 75%、膨胀材料的体积比为20%~ 40%时防水抗渗效果较佳，憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物比单独使用膨胀材料的封堵防水效果强3-10倍左右。

在壳体的开口处使用密封胶固化封堵。所述壳体开口处可以有朝内侧翻转的折边，壳体开口处还可以同时有一道以上的凹状的压槽或者压痕，压槽或者折边与开口处的密封层紧密结合，在内部膨胀材料发生膨胀时固定密封层。压槽或者折边的主要作用是与密封胶形成齿合状态，增加与密封胶之间的结合力，在内部膨胀材料发生膨胀时能够牢固地固定密封层，使密封层不至于在内部膨胀材料发生膨胀时，受到膨胀力的作用而挤压脱离。根据本发明的基本原理，单有压槽而无折边的技术方案，同样属于本发明保护范围。

所述传感器的传感元件，可以是声呐接受元件、声呐发送元件、压力监测元件、测温元件摄像元件等。目前，市场上可供选择的憎水材料很多，如石蜡或有机硅油等，主要是根据使用温度来选择合适的憎水材料。所述壳体一般为铜、铝、不锈钢等材料制成，也可以是聚乙烯等塑料树脂、特种陶瓷等材料制成。遇水膨胀的材料，可以是膨胀水泥、改性高钠基膨润土粒、丙烯酸钠(包括亲水性高分子化合物和交联丙烯酸钠复合的树脂)、聚乙烯醇、亲水性聚氨酯预聚体(由环氧乙烷或四氢呋喃水溶性聚醚与异氰酸酯反应所得)以及改性物等等。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中： 图1是球状的深水抗压传感器的结构示意图； 图2是瓶状的深水抗压传感器的结构示意图； 图3是球状的深水抗压传感器的壳体示意图；

图4是钩状折边和两道压槽的壳体示意图；

图5是圆弧状折边和一道压槽的壳体示意图；

图6是双折状折边的壳体示意图；

图7是钩状折边的壳体示意图；

图8是圆弧状折边的壳体示意图；

图中：1-密封胶，2-壳体开口的折边（或压槽），3-壳体，4-憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物，5-数据处理存储装置，6-导线，7-传感元件，8-传感元件固定胶。

具体实施方式一：

如图1所示，以深海探测用的球状声呐探测传感器为例进行说明。其壳体形状如图3所示。

众所周知，陆地通信主要靠电磁波，但到了水中电磁波在海水中最多只能深入几米，深海通信一般采用声波通讯，用于实时高速传输图像和语音、文字等信息。这一技术需要解决很多难题，比如声音延迟问题、声学传输速率很低的问题等等，但是一个最基本的问题就是防水问题。

本发明的具体实施例——球状声呐探测传感器，其壳体（3）形状如图3所示，壳体（3）呈球状，使用特种陶瓷材料制造，能够抵御深海的强大水压，壳体（3）设计成球状可承受更高的水压力，尤其适宜于海沟等超高压力的超深水域中使用。在壳体（3）上有一个以上的供制造、安装或维修使用的开口，这个开口是防水成败的关键，绝大部分渗漏都是在这个开口位置，壳体（3）开口的边沿做成向内侧翻转的折边（2）。

如图1所示，声纳传感元件（7）是深水抗压声呐传感器的核心部件，安装在壳体（3）内部，通过导线（6）和数据处理存储装置（5）进行通信传输数据。为了更好地接受和发送声呐信号，传感元件（7）（接收声呐元件或发送声呐元件）紧贴壳体（3）安装，并使用传感元件固定胶（8）固定在壳体（3）上。壳体（3）的开口处外侧有密封胶（1），密封胶（1）可以是聚氨酯胶、不饱和树脂胶或者其他密封胶，密封胶（1）和壳体（3）开口处的折边（2）结合在一起，折边（2）起到一个固定和支持密封胶（1）的作用。密封胶（1）直接接触海水，是防水和抵抗水压的第一道防线，折边（2）插入密封胶（1）中间，起到类似于挡水板的作用，增强防水功能；折边（2）插入密封胶（1）中间，两者紧密结合为一体，还可以阻止传感器内部的憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物（4）在遇水膨胀时挤压出壳体（3）。

在本实施例中，可以选用硅油35%~ 95%、碳酸钙粉5%~ 25%、膨润土5%~ 40%组成的混合物（4），混合物（4）呈泥浆状。泥浆状的混合物（4）比粉末状的混合物（4）具有更小的可压缩性，抗海水高压的性能更好。

在壳体（3）的开口处的密封胶（1）内侧，有憎水材料硅油、膨胀材料膨润土和填充材料碳酸钙粉组成的混合物（4）作为防水密封材料，形成防水的第二道防线。在万一传感器壳体（3）开口处的密封胶（1）出现密封破坏而渗水时（或者密封胶（1）与壳体（3）之间出现密封破坏时），水会进入到混合物（4）中，而膨润土具有很强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍，膨胀材料膨润土遇水后膨胀即体积增大，从而在渗水区域的膨润土附近会形成一个较大的内压力，挤压混合在一起的憎水材料和填充材料，当内部的挤压力大于或者等于外部水压力，则可以重新封堵密封胶（1）渗水的缝隙，起到自动修复密封胶（1）的作用。

压槽或者折边（2）的主要作用是与密封胶（1）形成齿合状态，增加与密封胶（1）之间的结合力，在内部膨胀材料发生膨胀时能够牢固地固定密封层，使密封层不至于在内部膨胀材料发生膨胀时，受到膨胀力的作用而挤压脱离。

具体实施方式二：

如图2所示，具体实施方式以瓶状的深水抗压温度传感器为例进行说明。其壳体形状至少可以有图4、图5、图6、图7、图8所示的几种。

深水勘察，温度的测量和长期监测是一项基础研究必不可少的项目，防水问题是最基本的问题。

本发明的具体实施例——瓶状的深水抗压温度传感器，其壳体（3）形状如图4、图5、图6、图7、图8所示，壳体（3）呈圆筒状或酒瓶状，使用不锈钢材料制造，能够抵御深水的强大水压，适宜于深水项目中使用。图4是钩状折边和两道压槽的壳体示意图，密封胶（1）与折边（2）、密封胶（1）与压槽（2）均紧密结合，形成一个双重保险的整体，抵御传感器内外的压力和水的渗透；图5是圆弧状折边和一道压槽的壳体示意图，密封胶（1）与折边（2）、密封胶（1）与压槽（2）均紧密结合，形成一个双重保险的整体，抵御传感器内外的压力和水的渗透。图6是双折状折边的壳体示意图，密封胶（1）与折边（2）紧密结合，形成一个整体，抵御传感器内外的压力和水的渗透；图7是钩状折边的壳体示意图，密封胶（1）与折边（2）紧密结合，形成一个整体，抵御传感器内外的压力和水的渗透；图8是圆弧状折边的壳体示意图，密封胶（1）与折边（2）紧密结合，形成一个整体，抵御传感器内外的压力和水的渗透。

在壳体（3）上有一个以上的供制造、安装或维修使用的开口，这个开口是防水成败的关键，绝大部分渗漏都是在这个开口位置，壳体（3）开口的边沿做成向内侧翻转的折边（2）或者压槽（2）。

如图2所示，温度传感元件（7）是深水抗压温度传感器的核心部件，安装在壳体（3）内部，可通过导线（6）进行通信和传输数据。为了更好地检测温度，传感元件（7）紧贴壳体（3）安装，并使用传感元件固定胶（8）固定在壳体（3）上。壳体（3）的开口处外侧有密封胶（1），密封胶（1）可以是聚氨酯胶、不饱和树脂胶或者其他密封胶，密封胶（1）和壳体（3）开口处的折边或者压槽（2）结合在一起，折边（2）或者压槽（2）起到一个固定和支持密封胶（1）的作用。密封胶（1）直接接触外界，是防水和抵抗水压的第一道防线，折边（2）或者压槽（2）插入密封胶（1）中间，起到类似于挡水板的作用，增强防水功能；折边（2）或者压槽（2）插入密封胶（1）中间，两者紧密结合为一体，还可以阻止传感器内部的憎水材料和膨胀材料等两种以上材料组成的混合物（4）在遇水膨胀时挤压出壳体（3）。

在本实施例中，可以选用石蜡粉25%~ 75%、高膨胀倍数的膨胀水泥20%~ 65%组成的混合物（4）；也可以使用膨润土部分或者全部替代膨胀水泥，与石蜡粉混合成混合物（4），混合物（4）呈粉末状。

在壳体（3）的开口处的密封胶（1）内侧，有憎水材料石蜡粉、膨胀材料膨润土膨胀水泥组成的混合物（4）作为防水密封材料，形成防水的第二道防线。在万一传感器壳体（3）开口处的密封胶（1）出现密封破坏而渗水时（或者密封胶（1）与壳体（3）之间出现密封破坏时），水会进入到混合物（4）中，而膨润土和高膨胀倍数的膨胀水泥具有很强的吸湿性和膨胀性，体积膨胀可达数倍至数十倍，从而在渗水区域附近会形成一个较大的内压力，挤压混合在一起的憎水材料石蜡粉和膨胀材料，当内部的挤压力大于或者等于外部水压力，则可以重新封堵密封胶（1）渗水的缝隙，起到自动修复密封胶（1）的作用，在封堵完成后的一定时间里，膨胀水泥会自动固化，彻底堵住渗水的缝隙。

压槽（2）或者折边（2）的主要作用是与密封胶（1）形成齿合状态，增加与密封胶（1）之间的结合力，在内部膨胀材料发生膨胀时能够牢固地固定密封层，使密封层不至于在内部膨胀材料发生膨胀时，受到膨胀力的作用而挤压脱离。

目前，市场上可供选择的憎水材料很多，如石蜡或有机硅油等，主要是根据使用温度来选择合适的憎水材料。

所述温度传感器的传感元件，可以是PT100、PT1000、Cu50、NTC、PTC、18B20等热电阻或芯片。所述壳体（3）一般为铜、铝、不锈钢等材料制成，也可以是聚乙烯等塑料树脂材料制成的壳体（3）。遇水膨胀的材料更多，如膨胀水泥、改性高钠基膨润土粒、丙烯酸钠(包括亲水性高分子化合物和交联丙烯酸钠复合的树脂)、聚乙烯醇、亲水性聚氨酯预聚体(由环氧乙烷或四氢呋喃水溶性聚醚与异氰酸酯反应所得)以及改性物等等。以上材料可以替换具体实施方式中的举例材料。

本发明中所述的混合物（4），包括两种以上材料的没有任何化学变化的纯物理混合物，也包括混合物组成材料之间既有物理混合又有化学缔合或化学反应的混合物，还包括混合物中部分材料产生了化学反应的混合物。

本发明所有实施例所述深水抗压传感器的其它结构和材料参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.深水抗压传感器，包括壳体和设置在壳体内的传感元件，所述壳体有一个以上的开口，其特征在于：所述壳体的开口处有密封层，所述壳体的开口内侧，包括憎水材料和膨胀材料两种以上材料的混合物，所述壳体开口处有朝内侧翻转的折边，折边插入开口处的密封层中间，使折边与密封层紧密结合，抵御传感器内外的压力和防止外侧水向传感器内部渗透。

2.根据权利要求1所述深水抗压传感器，所述壳体内的包括憎水材料和膨胀材料两种以上材料的混合物，呈粉末状。

3.根据权利要求1所述深水抗压传感器，所述壳体内的包括憎水材料和膨胀材料两种以上材料的混合物，呈泥浆状。

4.根据权利要求1或2或3所述深水抗压传感器，所述壳体呈球状。

5.根据权利要求1或2或3所述深水抗压传感器，所述壳体呈圆筒状或瓶状。

6.根据权利要求1或2或3所述深水抗压传感器，所述壳体开口处有一圈以上的凹状的压槽或压痕，使壳体与开口处的密封层紧密结合，抵御传感器内外的压力和防止外侧水向传感器内部渗透。

7.根据权利要求1或2或3所述深水抗压传感器，包括憎水材料和膨胀材料两种以上材料的混合物中，憎水材料的体积比为25％～95％，膨胀材料的体积比为5％～65％。

8.根据权利要求1或2或3所述深水抗压传感器，包括憎水材料和膨胀材料两种以上材料的混合物中，憎水材料的体积比为35％～75％，膨胀材料的体积比为20％～40％。