CN109470281B - 一种仿生侧线流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿生侧线流传感器，包括：胶质顶、传感器壳体以及聚偏氟乙烯压电薄膜；胶质顶包括胶质顶顶部和第一圆柱体，胶质顶顶部位于第一圆柱体上，胶质顶顶部的底面积小于第一圆柱体底面的底面积；第一圆柱体的底部开设有第一凹槽，胶质顶的底部开设有第二凹槽，第二凹槽的底面积小于第一凹槽的底面积，第一凹槽与第二凹槽连通；传感器壳体包括第二圆柱壳体和凸起，凸起设置在第二圆柱壳体的顶面上，凸起的尺寸和第一凹槽的尺寸相互匹配，使传感器壳体与胶质顶固定连接；聚偏氟乙烯压电薄膜的一端插入凸起内，聚偏氟乙烯压电薄膜的另一端插入第二凹槽内。本发明中的传感器一体化设计，安装方便，结构更加接近鱼类的侧线感知单元。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种仿生侧线流传感器。
背景技术
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。这些测量计既有各自的优点，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，形变测量三个部分组成，感受流作用的单元一般采用受力杆，而鱼类测线感受器的基本单元为神经丘，其生物学结构为一个胶质顶，形状为翼型结构。可见，已有的仿生侧线传感器结构与实际的鱼类侧线的生物学结构仍略有差异。本发明在分析鱼类侧线器官基本感知单元-神经丘结构的基础上，采用了类似鱼类的胶质顶的结构形式，同时利用PVDF薄膜的压电效应和质地柔软等特性，直接将PVDF通过灌装的方式安装在翼型胶质顶内部，实现了一体化设计，具有结构简单，安装方便，结构上也更加接近鱼类的侧线感知单元-神经丘等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体化设计，安装方便，结构更加接近鱼类的侧线感知单元-神经丘的仿生侧线流传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种仿生侧线流传感器，所述传感器包括：胶质顶、传感器壳体以及聚偏氟乙烯压电薄膜；
所述胶质顶包括胶质顶顶部和第一圆柱体，所述胶质顶顶部位于所述第一圆柱体上，所述胶质顶顶部的底面积小于所述第一圆柱体底面的底面积；且所述第一圆柱体的底部开设有第一凹槽，所述胶质顶的底部开设有第二凹槽，所述第二凹槽的底面积小于所述第一凹槽的底面积，所述第一凹槽与所述第二凹槽连通；
所述传感器壳体包括第二圆柱壳体和凸起，所述凸起设置在所述第二圆柱壳体的顶面上，所述凸起的尺寸和所述第一凹槽的尺寸相互匹配，使所述传感器壳体与所述胶质顶固定连接；
所述聚偏氟乙烯压电薄膜的一端插入所述凸起内，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的另一端插入所述第二凹槽内。
可选的，所述胶质顶顶部的横截面为由下到上半径依次减小的圆形，所述胶质顶顶部底面的圆形半径小于所述第一圆柱体的底面半径，所述胶质顶顶部的底面与所述第一圆柱体的顶面接触连接。
可选的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜与所述胶质顶之间填充有聚四氟乙烯。
可选的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜与所述第二圆柱壳体以及所述凸起之间填充有环氧树脂。
可选的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜插入所述凸起的一端设置有导线和引脚。
可选的，所述第一圆柱体上开设有螺纹孔，所述第一圆柱体通过螺钉与所述螺纹孔与所述传感器壳体连接。
可选的，所述胶质顶采用丁晴橡胶材料。
可选的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜为扁平薄膜结构或悬臂梁结构。
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：
本发明中的传感器设置有胶质顶、传感器壳体以及聚偏氟乙烯压电薄膜，所述胶质顶固定连接于所述传感器壳体上，所述聚偏氟乙烯压电薄膜位于所述胶质顶和所述传感器壳体内，利用聚偏氟乙烯压电薄膜的自身传感特性用于感知外部流的作用，通过灌装密封的方式实现了一种具有胶质顶结构的仿生侧线流传感器，结构小巧，布置合理，对流体速度敏感。
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为本发明实施例鱼类侧线系统基本感知单元生物结构图；
图2为本发明实施例仿生侧线流传感器结构示意图；
图3为本发明实施例胶质顶结构示意图；
图4为本发明实施例传感器壳体结构示意图；
图5为本发明实施例第一圆柱体俯视图。
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安装方便，一体化设计的，结构更加接近鱼类的侧线感知单元-神经丘的仿生侧线流传感器。
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为本发明实施例鱼类侧线系统基本感知单元生物结构图，所述基本感知单元也称神经丘，如图1所示，其生物结构由胶质顶101、纤毛束102以及感觉细胞103，当接触流体的振动波时,胶质顶101带动其内部的纤毛束102发生定向摆动和偏转,改变感觉细胞103的内外电位差,将流体机械信息转换成神经电信号传入，从而获得外部流场的信息。而作为一种智能柔性传感材料，PVDF薄膜承受一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即产生压电效应，与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高，并且PVDF压电膜质地柔软、重量轻，易制成任意形状等特点，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高，并且耐潮湿、氧化，易于做水下传感器。结合上面两个因素，本申请实施提供了一种新型仿生侧线传感器，采用压电薄膜料PVDF，通过灌装方式实现一种具有胶质顶结构的仿生侧线流传感器。
图2为本发明实施例仿生侧线流传感器结构示意图，图3为本发明实施例胶质顶结构示意图，图4为本发明实施例传感器壳体结构示意图，图5为本发明实施例第一圆柱体俯视图，如图2-图5所示，所述传感器包括：胶质顶1、传感器壳体2以及聚偏氟乙烯压电薄膜3，所述胶质顶1固定连接于所述传感器壳体2上。
具体的，所述胶质顶1包括胶质顶顶部1101和第一圆柱体1102，所述胶质顶顶部1101位于所述第一圆柱体1102上，所述胶质顶顶部1101的底面积小于所述第一圆柱体1102底面的底面积；
所述传感器壳体2包括第二圆柱壳体201和凸起202，所述凸起202设置在所述第二圆柱壳体201的顶面上，所述第一圆柱体1102的底部开设有第一凹槽11021，所述凸起202的尺寸和所述第一凹槽11021的尺寸相互匹配，使所述传感器壳体与所述胶质顶固定连接；所述胶质顶1的底部开设有第二凹槽1103，所述第二凹槽1103的底面积小于所述第一凹槽11021的底面积，所述第一凹槽11021与所述第二凹槽1103连通。
所述聚偏氟乙烯压电薄膜3的一端插入所述凸起202内，所述聚偏氟乙烯压电薄膜3的另一端插入所述第二凹槽1103内。
具体的，所述胶质顶顶部1101的横截面为由下到上半径依次减小的圆形，或者所述胶质顶顶部1101的剖面也可为一个开口向下的抛物线，在测流的过程中起到一个翼型探针的作用，所述胶质顶顶部1101底面的圆形半径小于所述第一圆柱体1102的底面半径，所述胶质顶顶部1101的底面与所述第一圆柱体1102的顶面接触连接。
具体的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜3与所述胶质顶1之间填充有聚四氟乙烯4，实现将聚偏氟乙烯压电薄膜3埋入胶质顶1，同时起到密封防潮的作用，所述聚偏氟乙烯压电薄膜3与所述第二圆柱壳体201以及所述凸起202之间填充有环氧树脂5，通过填充环氧树脂的方式进行固定密封。
所述聚偏氟乙烯压电薄膜3插入所述凸起202的一端设置有导线6和引脚，导线和引脚可将聚偏氟乙烯压电薄膜3的信号引出。
所述第一圆柱体1102上开设有螺纹孔11021，所述第一圆柱体通过螺钉7与所述螺纹孔11021与所述传感器壳体连接。
所述聚偏氟乙烯压电薄膜为扁平薄膜结构或悬臂梁结构，本发明中优选为扁平薄膜结构，如图5所示，所述第一圆柱体1102上开设有条形缝8，所述条形缝8的尺寸可容纳所述聚偏氟乙烯压电薄膜3插入。
具体的，所述胶质顶采用丁晴橡胶材料，通过模具制作后成形。
在实际应用中，仿生测线流传感器工作与水流中，根据流体动力学理论，由于海流的运动，海流对翼型胶质顶1产生作用力，胶质顶1将力传递给聚偏氟乙烯压电薄膜，使之变形。这样会在沿着聚偏氟乙烯压电薄膜极化方向上产生电荷，电荷信号被相应的电路系统采集和处理，聚偏氟乙烯压电薄膜片产生电荷的数量与垂直胶质顶轴线的分力呈线性关系，即与胶质顶1轴线方向垂直的海流流速的大小为线性关系，聚偏氟乙烯压电薄膜实质上为悬臂梁结构，在这里做成扁平薄膜结构，即长度远大于宽度和厚度，且宽度大于厚度，所以聚偏氟乙烯压电薄膜片在厚度方向上容易产生变形。
传感器使用前在实验室内经过标定得到灵敏度，即其产生的信号与水流大小的线性关系系数，再根据使用过程中传感器的输出信号、即能够计算得到海流的大小。计算方法及过程如下：
V＝kU，式中V为待测流速，U为聚偏氟乙烯压电薄膜采集电路输出电压，k为标定的传感器灵敏度系数。这样流速V的外部流作用于胶质顶1时，将导致聚偏氟乙烯压电薄膜产生变形，经过信号调理电路输出电压U，利用事先标定的系数，就可以得到外部的流速V。
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 (8)
1.一种仿生侧线流传感器，所述传感器包括：胶质顶、传感器壳体，其特征在于，所述传感器还包括：聚偏氟乙烯压电薄膜；所述胶质顶包括胶质顶顶部和第一圆柱体，所述胶质顶顶部位于所述第一圆柱体上，所述胶质顶顶部的底面积小于所述第一圆柱体底面的底面积；且所述第一圆柱体的底部开设有第一凹槽，所述胶质顶的底部开设有第二凹槽，所述第二凹槽的底面积小于所述第一凹槽的底面积，所述第一凹槽与所述第二凹槽连通；所述传感器壳体包括第二圆柱壳体和凸起，所述凸起设置在所述第二圆柱壳体的顶面上，所述凸起的尺寸和所述第一凹槽的尺寸相互匹配，使所述传感器壳体与所述胶质顶固定连接；所述聚偏氟乙烯压电薄膜的一端插入所述凸起内，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的另一端插入所述第二凹槽内。
2.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述胶质顶顶部的横截面为由下到上半径依次减小的圆形，所述胶质顶顶部底面的圆形半径小于所述第一圆柱体的底面半径，所述胶质顶顶部的底面与所述第一圆柱体的顶面接触连接。
3.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜与所述胶质顶之间填充有聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜与所述第二圆柱壳体以及所述凸起之间填充有环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜插入所述凸起的一端设置有导线和引脚。
6.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述第一圆柱体上开设有螺纹孔，所述第一圆柱体通过螺钉与所述螺纹孔与所述传感器壳体连接。
7.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述胶质顶采用丁腈 橡胶材料。
8.根据权利要求1所述的仿生侧线流传感器，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜为扁平薄膜结构或悬臂梁结构。
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