CN109238245A - 一种新型仿生侧线传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型仿生侧线传感器。所述新型仿生侧线传感器包括纤毛壳斗、纤毛基杆、IPMC薄膜片、引出电极以及传感器外壳；当外部流作用于纤毛壳斗的自由端时，纤毛壳斗将产生机械变形，机械变形将被传递到纤毛基杆上，引起纤毛基杆变形，纤毛基杆变形将导致IPMC薄膜片产生机械变形，利用IMC力电效应，IPMC薄膜片将产生感应电压，从而根据采集的感应电压计算得到外部流的大小。采用本发明所提供的新型仿生侧线传感器用于外部流的测量，将纤毛壳斗以及纤毛基杆合二为一，采用IPMC薄膜片替代为应变片，并直接安装在纤毛基杆上，实现了一体化设计，结构简单，安装方便的特点；同时采用该新型仿生侧线传感器能够准确输出感应电压，获得流速大小。

Description

一种新型仿生侧线传感器
技术领域
本发明涉及水下传感器领域，特别是涉及一种新型仿生侧线传感器。
背景技术
海流测量在海洋科学研究与工程应用中具有重要的作用。因此，研究新型海流传感技术一直是海洋科技工作者和海洋工程实施者所关注的焦点。海洋生物，特别是鱼类具有独特的，高灵敏度的感知器官---侧线系统，鱼类利用侧线系统可以有效地感知周围海洋流场。
海流传感器根据原理可以分为机械旋桨式、电磁式、声学式以及光学式，典型的测量仪器如厄克曼海流计，美国Interocean生产的S4型电磁海流计，Falmouth Scientific公司的2-D型时差式声学海流计，挪威的安德莱海流计RCM-9(多谱勒式声学海流计)以及声学多谱勒海流剖面仪，粒子成像速度计PIV等等。这些测量方法既有各自的优点，也存在着一定的不足，比如声学传感器会受到海水温度，盐度，悬浮颗粒，声学散射以及多径传播等的影响，而导致精度下降；光学传感器精度会受到海水浑浊度的影响；此外，上述传感器无法形成分布式传感器阵列；
目前，已有仿生侧线传感器的信号感知结构多数由纤毛受力杆，应变梁以及形变测量单元三个部分组成，形变测量单元一般采用应变片，将应变片分别安装在应变梁的四根支梁上的平面部分，结构复杂，不易安装。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型仿生侧线传感器，以解决现有仿生侧线传感器结构复杂，不易安装的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种新型仿生侧线传感器，包括：纤毛壳斗、纤毛基杆、IPMC薄膜片、引出电极以及传感器外壳；
所述纤毛壳斗为中空结构；所述纤毛基杆设于所述纤毛壳斗的内部；
所述IPMC薄膜片设于所述纤毛基杆与所述纤毛壳斗之间；所述IPMC薄膜片包括第一IPMC薄膜片以及第二IPMC薄膜片；每一片IPMC薄膜片的固定端的两侧分别设有一所述引出电极；四个所述引出电极的连接关系为串接结构；
所述纤毛壳斗的顶端、所述纤毛基杆的顶端以及所述IPMC薄膜片的顶端为自由端，固定于所述传感器外壳的凹槽内部的所述纤毛基杆的底部以及所述IPMC薄膜片的底部为固定端，所述纤毛壳斗、所述纤毛基杆以及所述IPMC薄膜片形成悬臂梁结构；当外部流作用于所述纤毛壳斗的自由端时，所述纤毛壳斗将产生机械变形，所述机械变形将传递到纤毛基杆上，引起纤毛基杆变形，导致所述IPMC薄膜片产生机械变形，产生感应电压。
可选的，还包括：引出导线；
所述引出导线设于所述传感器外壳的内部，且所述引出导线与所述引出电极相连接，所述引出导线用于将所述感应电压传输至信号处理电路。
可选的，还包括：外部压板以及固定螺钉；
所述纤毛壳斗为中空圆柱形结构，所述纤毛壳斗的顶部为断面为半球形的上凸结构，所述上凸结构用于减小阻力；
所述纤毛壳斗的固定端通过所述外部压板固定于所述传感器外壳的内部，并通过所述固定螺钉将所述外部压板固定于所述传感器外壳上。
可选的，所述传感器外壳为圆柱形凸台；所述凹槽设于所述圆柱形凸台上；所述凹槽的直径大于所述纤毛基杆的直径；
所述纤毛基杆以及所述凹槽之间的空隙通过聚四氟乙烯填充。
可选的，所述纤毛壳斗的材料为有机硅橡胶材料。
可选的，所述纤毛基杆的材料为有机硅橡胶材料。
可选的，还包括：密封套以及压紧螺母；
所述传感器外壳的中心部分加工为部分螺纹结构，所述引出导线设于所述部分螺纹结构内部；所述压紧螺母与所述部分螺纹结构相匹配。
可选的，所述引出电极通过导电胶粘贴在所述IPMC薄膜片上。
可选的，所述第一IPMC薄膜片以及所述第二IPMC薄膜片对称设置；
所述第一IPMC薄膜片以及所述第二IPMC薄膜片采用串接结构方式连接。
可选的，所述IPMC薄膜片粘贴于纤毛基杆上。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的一种新型仿生侧线传感器，将纤毛壳斗以及纤毛基杆合二为一，且利用IPMC薄膜片替代应变片，直接安装在纤毛基杆上，实现了一体化设计，具有结构简单，安装方便的特点。
同时，本发明采用对称式的两片IPMC薄膜片，并通过引出电极串接的结构方式，提高了传感器输出感应电压的输出值，提高了传感器的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的新型仿生侧线传感器剖视图；
图2为本发明所提供的IPMC薄膜片感知原理示意图；
图3为本发明所提供的纤毛壳斗俯视图；
图4为本发明所提供的纤毛壳斗正视图；
图5为本发明所提供的纤毛壳斗剖视图；
图6为本发明所提供的IPMC薄膜片以及引出电极装配结构示意图；
图7为本发明所提供的IPMC薄膜片以及引出电极的底部剖面图；
图8为本发明所提供的基于图7所示的IPMC薄膜片以及引出电极的底部剖面图的放大图；
图9为本发明所提供的传感器外壳结构示意图；
图10为本发明所提供的传感器外壳底部示意图；
图11为本发明所提供的外部压板的顶部结构图；
图12为本发明所提供的外部压板的底部结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种新型仿生侧线传感器，能够提高传感器输出感应电压的准确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的新型仿生侧线传感器剖视图，如图1所示，一种新型仿生侧线传感器，包括：纤毛壳斗1、纤毛基杆2、第一IPMC薄膜片3、第二IPMC薄膜片4、引出电极(第一引出电极5，第二引出电极6、第三引出电极7以及第四引出电极8)、外部压板9、固定螺钉10、传感器外壳11、密封套12、引出导线13、压紧螺母14以及密封O形圈15。
所述纤毛壳斗1为中空结构；所述纤毛基杆2设于所述纤毛壳斗1的内部；所述IPMC薄膜片设于所述纤毛基杆2与所述纤毛壳斗1之间；IPMC薄膜片通过粘贴的方式固定于纤毛基杆2的两侧，每一片IPMC薄膜片的底部固定端的两侧分别设有一所述引出电极；电极通过导电胶粘贴于IPMC薄膜片底部两侧位置。对于两片IPMC的四个所述引出电极的连接关系为串接结构；所述纤毛壳斗1的顶端、所述纤毛基杆2的顶端以及所述IPMC薄膜片的顶端构成了一个悬臂梁的自由端，所述纤毛壳斗1、所述纤毛基杆2以及所述IPMC薄膜片的底部固定于所述传感器外壳11的凹槽内，形成悬臂梁的固定端，三者构成了一个悬臂梁结构。当外部流作用于所述纤毛壳斗1的自由端时，所述纤毛壳斗1将产生机械变形，所述机械变形将传递到纤毛基杆2上，引起纤毛基杆2变形，导致所述IPMC薄膜片产生机械变形，产生感应电压，实现外部流的测量。
作为一种新型的智能材料，离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer MetalComposite,IPMC)具有传感特性，能够直接将外部机械位移(弯曲形变)转换为电信号输出，这一特性使其可应用于传感器的设计。
将IPMC材料应用于海流测量时，其基本原理如图2所示，当海流作用于IPMC末端(自由端)时，相当于向IPMC施加了一个作用力，导致IPMC末端(自由端)产生弯曲变形，IPMC末端(自由端)的变形将导致IPMC内电荷分布发生分化，进而在IPMC两侧电极之间产生电势差，这样，通过采集两侧电极的电势差，并通过数学处理就可以得到不同弯曲形变下所对应的海流流速的大小。
纤毛壳斗1为圆柱形，上凸部分的断面为半球形结构，另一端的两个固定边与外部压板9和传感器外壳11相连接，纤毛壳斗1内部为中空圆柱结构，纤毛基杆2，第一IPMC薄膜片3以及第二IPMC薄膜片4安装于此中空圆柱中。纤毛壳斗1材料采用有机硅橡胶材料(Polydimethylsiloxane，PDMS)，其结构如图3-5所示。
纤毛基杆2为圆柱形，沿圆柱外侧切割出两个对称平面，第一IPMC薄膜片3以及第二IPMC薄膜片4直接粘帖在这两个平面上，第一引出电极5以及第二引出电极6则通过导电胶粘帖在第一IPMC薄膜片3的底部两侧位置；第二引出电极7以及第二引出电极8同样通过导电胶粘帖在第二IPMC薄膜片4的底部两侧位置。纤毛基杆2以及第一IPMC薄膜片3以及第二IPMC薄膜片4片顶端处于自由状态，底部则固定在传感器外壳11的凹槽内，形成一个悬臂梁结构。当外部流作用于纤毛壳斗1上时，纤毛壳斗1将产生机械变形，机械变形将传递到纤毛基杆2上，引起纤毛基杆2变形，从而导致第一IPMC薄膜片3以及第二IPMC薄膜片4产生机械变形，分别产生感应电压。将第一IPMC薄膜片3以及第二IPMC薄膜片4产生的感应电压通过第一引出电极5、第二引出电极6、第三引出电极7以及第四引出电极8引出，第一引出电极5、第二引出电极6、第三引出电极7以及第四引出电极8之间采用串接方式，其结构形式如图4所示，纤毛基杆2以及第一IPMC薄膜片3以及第二IPMC薄膜片4以及引出电极相互的装配结构如图6-8所示。
这种串接结构形式能够增加输出感应电压，提高信噪比，最终感应电压将通过引出导线13输出到信号处理电路进行处理，纤毛基杆2的材料采用有机硅橡胶(PDMS)材料。
传感器外壳11结构如图9-10所示，内部中间有一个圆柱形凸台，沿凸台中心线切出一个矩形凹槽，凹槽宽度略大于纤毛基杆2直径，将纤毛基杆2安装在此槽内，安装后可用聚四氟乙烯进行填充，固定纤毛基杆2的位置。
外部压板9的结构如图11-12所示，传感器外壳11的上部与外部压板9之间采用螺钉10固定，通过外部压板9，传感器外壳11的顶部凹槽以及纤毛壳斗1的凸起，实现将纤毛壳斗1底部固定，由于纤毛壳斗1采用PDMS，具有一定的弹性，这种结构同时起到水密作用；传感器外壳11下部中心部分加工为部分螺纹结构，密封套12安装在传感器外壳11底部的孔中，通过压紧螺母14进行压紧，O形圈15位于压紧螺母与传感器外壳底部孔内侧之间，用于实现密封。
在实际应用中，所述引出导线13设于所述传感器外壳11的内部，且所述引出导线13与所述引出电极相连接，所述引出导线13用于将所述感应电压传输至信号处理电路。
在实际应用中，所述纤毛壳斗1为中空圆柱形结构，所述纤毛壳斗1的顶部为断面为半球形的上凸结构，所述上凸结构用于减小阻力；所述纤毛壳斗1的底部固定端通过所述外部压板9固定于所述传感器外壳11的内部，并通过所述固定螺钉10将所述外部压板9固定于所述传感器外壳11上。
在实际应用中，所述传感器外壳11内部包括一个圆柱形凸台；所述凹槽设于所述圆柱形凸台上；所述凹槽的直径大于所述纤毛基杆2的直径；所述纤毛基杆2以及所述凹槽之间的空隙通过聚四氟乙烯填充。
在实际应用中，所述纤毛壳斗1的材料为有机硅橡胶材料；所述纤毛基杆2的材料为有机硅橡胶材料。
在实际应用中，所述传感器外壳11的底部中心部分加工为部分螺纹结构，所述引出导线13设于所述部分螺纹结构内部；所述压紧螺母14与所述部分螺纹结构相匹配。
本发明提供了一种新型仿生侧线传感器，这种新型的传感器与目前已有的纤毛式仿生流传感器不同，利用了IPMC薄膜片感知外部流，并将目前已有传感器的纤毛受力杆和应变梁合二为一，同时利用IPMC薄膜片替代应变片，直接安装在纤毛基杆2上，实现了一体化设计，具有结构简单，安装方便等特点。
本发明与单片IPMC感知结构相比，采用了双片IPMC感知材料串接方式感知外部流的大小，具有较高输出感应电压，具有结构小巧，布置合理以及对流体速度敏感等优点，可以在水下工作中精确感受流体对传感器的作用，准确输出感应电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种新型仿生侧线传感器，其特征在于，包括：纤毛壳斗、纤毛基杆、IPMC薄膜片、引出电极以及传感器外壳；
所述纤毛壳斗为中空结构；所述纤毛基杆设于所述纤毛壳斗的内部；
所述IPMC薄膜片设于所述纤毛基杆与所述纤毛壳斗之间；所述IPMC薄膜片包括第一IPMC薄膜片以及第二IPMC薄膜片；每一片IPMC薄膜片的固定端的两侧分别设有一所述引出电极；四个所述引出电极的连接关系为串接结构；
所述纤毛壳斗的顶端、所述纤毛基杆的顶端以及所述IPMC薄膜片的顶端为自由端，固定于所述传感器外壳的凹槽内部的所述纤毛基杆的底部以及所述IPMC薄膜片的底部为固定端，所述纤毛壳斗、所述纤毛基杆以及所述IPMC薄膜片形成悬臂梁结构；当外部流作用于所述纤毛壳斗的自由端时，所述纤毛壳斗将产生机械变形，所述机械变形将传递到纤毛基杆上，引起纤毛基杆变形，导致所述IPMC薄膜片产生机械变形，产生感应电压。
2.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，还包括：引出导线；
所述引出导线设于所述传感器外壳的内部，且所述引出导线与所述引出电极相连接，所述引出导线用于将所述感应电压传输至信号处理电路。
3.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，还包括：外部压板以及固定螺钉；
所述纤毛壳斗为中空圆柱形结构，所述纤毛壳斗的顶部为断面为半球形的上凸结构，所述上凸结构用于减小阻力；
所述纤毛壳斗的固定端通过所述外部压板固定于所述传感器外壳的内部，并通过所述固定螺钉将所述外部压板固定于所述传感器外壳上。
4.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，所述传感器外壳为圆柱形凸台；所述凹槽设于所述圆柱形凸台上；所述凹槽的直径大于所述纤毛基杆的直径；
所述纤毛基杆以及所述凹槽之间的空隙通过聚四氟乙烯填充。
5.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，所述纤毛壳斗的材料为有机硅橡胶材料。
6.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，所述纤毛基杆的材料为有机硅橡胶材料。
7.根据权利要求2所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，还包括：密封套以及压紧螺母；
所述传感器外壳的中心部分加工为部分螺纹结构，所述引出导线设于所述部分螺纹结构内部；所述压紧螺母与所述部分螺纹结构相匹配。
8.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，所述引出电极通过导电胶粘贴在所述IPMC薄膜片上。
9.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，所述第一IPMC薄膜片以及所述第二IPMC薄膜片对称设置；
所述第一IPMC薄膜片以及所述第二IPMC薄膜片采用串接结构方式连接。
10.根据权利要求1所述的新型仿生侧线传感器，其特征在于，所述IPMC薄膜片粘贴于纤毛基杆上。
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