CN109613297A - 一种流速、流向检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种流速、流向检测装置，包括：仿生侧线传感器和控制器；所述仿生侧线传感器包括：纤毛壳斗、IPMC感知组件、外部压板和传感器外壳；当外部流作用于所述纤毛壳斗的顶端时，所述纤毛壳斗将产生机械形变，并传递给所述IPMC感知组件，所述IPMC感知组件根据所述机械形变产生第一感应电压和第二感应电压；所述控制器先根据所述第一感应电压确定x轴方向的流速分量，然后根据所述第二感应电压确定y轴方向的流速分量，最后根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向。本发明公开的装置不仅能够实现二维流速测量，还能够降低结构复杂和成本，提高使用的便利性。

Description

一种流速、流向检测装置
技术领域
本发明涉及水下传感器传感器技术领域，特别是涉及一种流速、流向检测装置。
背景技术
自1905年厄克曼海流传感器问世以来，流速传感器一直在不断的更新完善。目前，测量流体流速的传感器按其原理主要可以分为机械式、热线式、电磁式、多普勒光学和声学式、声学时差式以及粒子图像测速仪等。
机械式流速传感器是利用流体带动机械转子或者机械旋浆的旋转来测量流体流速的，再使用方向标测量流体的瞬时方向或利用磁敏器件通过磁性耦合作用感应方向，对流向的测量需借助其他辅助器件。
热线或热膜流速传感器是一种由热敏阻性材料制作的探头来感应流体，通常将探头制作成丝状或者膜状；利用通电电流对探头加热，当流体作用于探头时，将会带走探头上的热量，而引起探头上的阻值变化，进而来反映流速的大小。但其对流向的测量，原理上只能测量一维的流向变化。
电磁式流速传感器其基本设计原理是法拉第的电磁感应定律，设计探头产生均匀的磁场，当导电性流体流过探头时，将会切割磁感线而产生电动势，感应电动势原理上与流速成正比；通过对感应电动势的测量就可以确定流体流速的大小，电动势的不同方向也可以反映流体的一维流向。
激光多普勒测量技术测量的基本原理是利用激光器发射的激光束穿透流动流体，照射在随流体一起流动的微粒上，通过接收器接收并检测微粒散射光的频率与原激光束的频率，即多普勒频移，再根据光学多普勒效应原理就可以确定微粒的运动速度，进而来确定流体的运动速度。这种传感器存在固有缺点即要求流体中必须含有微粒、微粒随动性要好、此外还有不易深海测量、设备价格昂贵等问题。
声学式流速传感器按其原理不同，主要可分为多普勒声学式流速传感器和时差式流速传感器。多普勒声学流速传感器类似于多普勒光学流速传感器，基本原理是发射器向被测流体中发射一特定频率声脉冲，再由跟随流体运动中的微粒反射或散射，经过接收器的接收检测，即获得多普勒频移，通过频移的大小和方向就可以确定流体的流速和流向；时差式声学流速传感器原理是基于声波在流动的流体中，顺流和逆流的传播速度不同，而得出流体的流速、流向信息；通过安装两对发射与接收合一体的换能器，分别接收对方换能器同时发出的声波信号，计算出两个换能器接收到的时间差就可以获得流体流速的大小；多普勒声学流速传感器优缺点类似于多普勒光学流速传感器，时差式声学流速传感器优点在于测量原理简单、应用范围广、可以深海测量、线性度好、流速测量好、多个换能器可测三维流向等；但时差式由于需安装多个换能器对流场的影响，使得测量可能出现偏差；换能器间距离的有限，需要有精确的微小时间差的测量；对于不同介质测量，需要有不同补偿；设备价格相对其他类型较高等。
粒子图像测速仪(PIV/PTV)是一种瞬态、多点测速方法；其原理是通过向运动的流体中散布示踪粒子，拍摄并测量在已知很短时间间隔内的位移量来间接的测量流体的速度分布。这类流速传感器优点在于突破了单点测试技术、能够清晰反映流体流动特性、高的空间分辨率、精度也较高、获取信息量大、可以连续测量和不干扰被测流体等；但需要向流场中散布尺寸小、形状圆、分布均匀、高的光散射率的示踪粒子，且受原理限制，只能测量流体的表面流、成本较高等。
综上，现有测量流体最终的流速和流向的传感器需要借助其他辅助器件，因此均具有结构复杂、成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种流速、流向检测装置，不仅能够实现二维流速测量，还能够降低结构复杂和成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种流速、流向检测装置，所述检测装置包括：
仿生侧线传感器和控制器；所述仿生侧线传感器与所述控制器连接；
所述仿生侧线传感器包括：纤毛壳斗、由四片IPMC薄膜片组成的IPMC感知组件、外部压板和传感器外壳；
所述纤毛壳斗的底端和所述传感器外壳通过所述外部压板连接，所述纤毛壳斗、所述外部压板和所述传感器外壳共同构成内部中空结构，用于存放所述IPMC感知组件；
当外部流作用于所述纤毛壳斗的顶端时，所述纤毛壳斗将产生机械形变，并传递给所述IPMC感知组件，所述IPMC感知组件根据所述机械形变产生第一感应电压和第二感应电压；所述控制器先根据所述第一感应电压确定x轴方向的流速分量，然后根据所述第二感应电压确定y轴方向的流速分量，最后根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向。
可选的，所述IPMC感知组件包括：
纤毛基杆、四个IPMC感知单元；所述四个IPMC感知单元分别为第一IPMC感知单元、第二IPMC感知单元、第三IPMC感知单元和第四IPMC感知单元；在所述纤毛基杆的四周设置四个凹槽，四个凹槽绕同一中心轴相互正交配置，所述凹槽用于放置所述四个IPMC感知单元；各所述IPMC感知单元均包括IPMC薄膜片和设置在所述IPMC薄膜片两侧底端的正电极和负电极；所述第一IPMC感知单元和所述第三IPMC感知单元位于纤毛基杆的两个平面上，且相互平行，所述第一IPMC感知单元中的负电极与所述第三IPMC感知单元中的正电极相连，所述第一IPMC感知单元中的正电极和所述第三IPMC感知单元中的负电极分别连接引出导线，形成第一感应电压；所述第二IPMC感知单元和所述第四IPMC感知单元位于纤毛基杆的两个平面上，且相互平行，所述第二IPMC感知单元中的负电极与所述第四IPMC感知单元中的正电极相连，所述第二IPMC感知单元中的正电极和所述第四IPMC感知单元中的负电极分别连接引出导线，形成第二感应电压。
可选的，所述控制器根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向，具体公式为：
其中，V为流体的流速，θ为流体的流向，Vx为x轴方向的流速分量，Vy为y轴方向的流速分量。
可选的，所述凹槽分为上部和下部，所述下部的凹槽比所述上部的凹槽深，所述下部的凹槽用于盛放带有所述正电极或所述负电极的IPMC感知单元。
可选的，所述纤毛壳斗的顶部为半球形上凸结构，用于减小阻力。
可选的，在所述传感器外壳的中心位置设置有圆柱形凸台；沿所述圆柱形凸台的中心线切出圆柱形凹槽；所述圆柱形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圆柱形凹槽之间的空隙通过聚四氟乙烯填充，用于固定所述纤毛基杆。
可选的，所述检测装置还包括：
螺钉和压紧螺母；
所述螺钉用于将所述外部压板固定于所述传感器外壳上；所述传感器外壳的下部中心位置处加工成部分螺纹结构，所述压紧螺母与所述部分螺纹结构配套使用。
可选的，所述检测装置还包括：
密封套，安装在所述部分螺纹结构中，通过所述压紧螺母进行压紧。
可选的，所述纤毛基杆的材料为硅橡胶材料。
可选的，所述纤毛壳斗的材料为硅橡胶材料。
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：
本发明公开了流速、流向检测装置，包括：仿生侧线传感器和控制器；所述仿生侧线传感器包括：纤毛壳斗、IPMC感知组件、外部压板和传感器外壳；所述纤毛壳斗的底端和所述传感器外壳通过所述外部压板连接，所述纤毛壳斗、所述外部压板和所述传感器外壳共同构成内部中空结构，用于存放所述IPMC感知组件；当外部流作用于所述纤毛壳斗的顶端时，所述纤毛壳斗将产生机械形变，并传递给所述IPMC感知组件，所述IPMC感知组件根据所述机械形变产生第一感应电压和第二感应电压；所述控制器先根据所述第一感应电压确定x轴方向的流速分量，然后根据所述第二感应电压确定y轴方向的流速分量，最后根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向。本发明公开的装置不仅能够实现二维流速测量，还能够降低结构复杂和成本，提高使用的便利性。
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IPMC薄膜片感知原理示意图；
图2为本发明实施例仿生侧线传感器结构图；
图3为本发明实施例IPMC感知组件结构图；
图4为本发明所提供的纤毛壳斗结构图；
图5为本发明所提供的传感器外壳结构示意图；
图6为本发明所提供的外部压板结构示意图。
其中，1、纤毛壳斗，2、IPMC感知组件，2-1、纤毛基杆，2-2、第一IPMC感知单元，2-3、第二IPMC感知单元，2-4、第三IPMC感知单元，2-5、第四IPMC感知单元，2-6、IPMC薄膜片，2-7、正电极，2-8、负电极，3、外部压板，4、传感器外壳，5、螺钉，6、压紧螺母，7、密封套，8、引出导线。
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流速、流向检测装置，不仅能够实现二维流速测量，还能够降低结构复杂和成本。
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IPMC薄膜片感知原理示意图，(a)为没有施加外部流作用的IPMC薄膜片的原理图，(b)为施加外部流作用的IPMC薄膜片的原理图，如图1所示，离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)作为一种新型、智能、具有传感特性材料，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薄膜片2-6应用于海流测量时，当海流作用于IPMC顶端(自由端)时，相当于向IPMC薄膜片2-6施加了一个作用力，导致IPMC薄膜片2-6顶端产生弯曲变形，IPMC薄膜片2-6顶端的变形将导致IPMC内电荷分布发生分化，进而在IPMC薄膜片2-6两侧电极之间产生电势差，这样，通过采集两侧电极的电势差就能得到不同弯曲形变下所对应的不同的海流流速大小。
图2为本发明实施例仿生侧线传感器构图，如图2所示，本发明提供一种流速、流向检测装置，所述检测装置包括：仿生侧线传感器和控制器(图中未画出)；所述仿生侧线传感器与所述控制器连接；所述仿生侧线传感器包括：纤毛壳斗1、四片IPMC薄膜片2-6组成的IPMC感知组件2、外部压板3、传感器外壳4、螺钉5、压紧螺母6和密封套7。
所述纤毛壳斗1的底端(固定端)和所述传感器外壳4通过所述外部压板3连接，所述纤毛壳斗1、所述外部压板3和所述传感器外壳4共同构成内部中空结构，用于存放所述IPMC感知组件2。
当外部流作用于所述纤毛壳斗1的顶端(自由端)时，所述纤毛壳斗1将产生机械形变，并传递给所述IPMC感知组件2，所述IPMC感知组件2根据所述机械形变产生第一感应电压和第二感应电压；所述控制器先根据所述第一感应电压确定x轴方向的流速分量。
然后根据所述第二感应电压确定y轴方向的流速分量，其基本关系表达为：
v＝kU；
其中v为外部流速，U为感应电压，通过实验标定可以确定IPMC感应电压与流速的线性关系系数k。
最后根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向，具体公式为：具体公式为：
其中，V为流体的流速，θ为流体的流向，Vx为x轴方向的流速分量，Vy为y轴方向的流速分量。
所述螺钉5用于将所述外部压板3固定于所述传感器外壳4上；所述传感器外壳4的下部中心位置处加工成部分螺纹结构，所述压紧螺母6与所述部分螺纹结构配套使用。
密封套7，安装在所述部分螺纹结构中，通过所述压紧螺母6进行压紧，用于实现内部水密。
图3为本发明实施例IPMC感知组件结构图，(a)为IPMC感知组件俯视图，(b)为IPMC感知组件主视图，(c)为IPMC感知组件中两个IPMC感知单元串联连接示意图，如图3所示，所述IPMC感知组件2包括：
纤毛基杆2-1、四个IPMC感知单元；所述四个IPMC感知单元分别为第一IPMC感知单元2-2、第二IPMC感知单元2-3、第三IPMC感知单元2-4和第四IPMC感知单元2-5；在所述纤毛基杆2-1的四周设置四个凹槽，四个凹槽绕同一中心轴相互正交配置，所述凹槽用于放置所述四个IPMC感知单元；具体的，所述凹槽分为上部和下部，所述下部的凹槽比所述上部的凹槽深，所述下部的凹槽用于盛放带有所述正电极2-7或所述负电极2-8的IPMC感知单元；所述纤毛基杆2-1的材料为硅橡胶材料(Polydimethylsiloxane，PDMS)。
各所述IPMC感知单元均包括IPMC薄膜片2-6和设置在所述IPMC薄膜片2-6两侧底端的正电极2-7和负电极2-8；具体的，所述正电极2-7和所述负电极2-8分别通过导电胶粘帖所述IPMC薄膜片2-6的两侧。
所述第一IPMC感知单元2-2和所述第三IPMC感知单元2-4位于纤毛基杆的两个平面上，且相互平行，所述第一IPMC感知单元2-2中的负电极2-8与所述第三IPMC感知单元2-4中的正电极2-7相连，所述第一IPMC感知单元2-2中的正电极2-7和所述第三IPMC感知单元2-4中的负电极2-8分别连接引出导线8，形成第一感应电压；所述第二IPMC感知单元2-3和所述第四IPMC感知单元2-5位于纤毛基杆的两个平面上，且相互平行，所述第二IPMC感知单元2-3中的负电极2-8与所述第四IPMC感知单元2-5中的正电极2-7相连，所述第二IPMC感知单元2-3中的正电极2-7和所述第四IPMC感知单元2-5中的负电极2-8分别连接引出导线8，形成第二感应电压。
具体的，当外部流作用于所述纤毛壳斗1的顶端时，所述纤毛壳斗1将产生机械形变，所述机械变形将传递到纤毛基杆2-1上，所述纤毛基杆2-1带动所述IPMC薄膜片2-6产生变形，进而导致IPMC内电荷分布发生分化，因此在IPMC薄膜片2-6两侧的正电极2-7和负电极2-8之间产生电势差，即分别形成第一感应电压和第二感应电压。
图4为本发明所提供的纤毛壳斗结构图，(a)为纤毛壳斗仰视图，(b)为纤毛壳斗主视图，(c)为纤毛壳斗剖面图，如图4所示，所述纤毛壳斗1设计为圆柱形，顶部为半球形上凸结构，用于减小阻力。所述纤毛壳斗1的两个固定边分别与所述外部压板3和所述传感器外壳4相连接，所述纤毛壳斗1、所述外部压板3和所述传感器外壳4共同构成内部中空结构，所述内部中空结构用于存放1个纤毛基杆2-1、4片IPMC薄膜片2-6和8个电极，所述纤毛壳斗1的材料为硅橡胶材料(Polydimethylsiloxane，PDMS)。
图5为本发明所提供的传感器外壳结构示意图，(a)为传感器外壳俯视图，(b)为传感器外壳仰视图，如图5所示，在所述传感器外壳4的中心位置设置有圆柱形凸台；沿所述圆柱形凸台的中心线切出圆柱形凹槽；所述凹槽的直径大于所述纤毛基杆2-1的直径；所述纤毛基杆2-1以及所述凹槽之间的空隙通过聚四氟乙烯填充，用于固定所述纤毛基杆2-1。
图6为本发明所提供的外部压板结构示意图，(a)为外部压板俯视图，(b)为外部压板仰视图，如图6所示，传感器外壳4的上部与外部压板3之间采用螺钉5固定，通过外部压板3将传感器外壳4的圆柱形凹槽和纤毛壳斗1的凸起固定，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4下部中心部分加工为部分螺纹结构，密封套7安装在部分螺纹结构中，通过压紧螺母68进行压紧。
本发明利用了IPMC材料自身的传感特性用于感知外部流的作用，实现了将纤毛壳斗1与纤毛基杆2-1合二为一，同时利用IPMC智能材料替代应变片，直接安装在纤毛基杆2-1上，实现了一体化设计，具有结构简单，安装方便等特点。另外，每组双片IPMC感知材料串接方式感知外部流的大小，能够产生较高的感应电压，因此提高了测量的准确性。最后，本发明还采用了两组双片IPMC，总共四片IPMC，两两一组，每组双片IPMC感知材料串接方式感知外部流的大小，分别测量两个正交方向来流的速度，并通过计算可以获得流体最终的流速和流向，实现二维流速测量。此外本发明还无需借助其他辅助器件即可获得流体最终的流速和流向，因此本发明具有结构小巧，布置合理，具有对流体速度，流向敏感的优点。
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)

1.一种流速、流向检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：
仿生侧线传感器和控制器；所述仿生侧线传感器与所述控制器连接；
所述仿生侧线传感器包括：纤毛壳斗、由四片IPMC薄膜片组成的IPMC感知组件、外部压板和传感器外壳；
所述纤毛壳斗的底端和所述传感器外壳通过所述外部压板连接，所述纤毛壳斗、所述外部压板和所述传感器外壳共同构成内部中空结构，用于存放所述IPMC感知组件；
当外部流作用于所述纤毛壳斗的顶端时，所述纤毛壳斗将产生机械形变，并传递给所述IPMC感知组件，所述IPMC感知组件根据所述机械形变产生第一感应电压和第二感应电压；所述控制器先根据所述第一感应电压确定x轴方向的流速分量，然后根据所述第二感应电压确定y轴方向的流速分量，最后根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述IPMC感知组件包括：
纤毛基杆、四个IPMC感知单元；所述四个IPMC感知单元分别为第一IPMC感知单元、第二IPMC感知单元、第三IPMC感知单元和第四IPMC感知单元；在所述纤毛基杆的四周设置四个凹槽，四个凹槽绕同一中心轴相互正交配置，所述凹槽用于放置所述四个IPMC感知单元；各所述IPMC感知单元均包括IPMC薄膜片和设置在所述IPMC薄膜片两侧底端的正电极和负电极；所述第一IPMC感知单元和所述第三IPMC感知单元位于纤毛基杆的两个平面上，且相互平行，所述第一IPMC感知单元中的负电极与所述第三IPMC感知单元中的正电极相连，所述第一IPMC感知单元中的正电极和所述第三IPMC感知单元中的负电极分别连接引出导线，形成第一感应电压；所述第二IPMC感知单元和所述第四IPMC感知单元位于纤毛基杆的两个平面上，且相互平行，所述第二IPMC感知单元中的负电极与所述第四IPMC感知单元中的正电极相连，所述第二IPMC感知单元中的正电极和所述第四IPMC感知单元中的负电极分别连接引出导线，形成第二感应电压。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述控制器根据所述x轴方向的流速分量和所述y轴方向的流速分量确定流体的最终的流速和流向，具体公式为：
其中，V为流体的流速，θ为流体的流向，Vx为x轴方向的流速分量，Vy为y轴方向的流速分量。
4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述凹槽分为上部和下部，所述下部的凹槽比所述上部的凹槽深，所述下部的凹槽用于盛放带有所述正电极或所述负电极的IPMC感知单元。
5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述纤毛壳斗的顶部为半球形上凸结构，用于减小阻力。
6.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，在所述传感器外壳的中心位置设置有圆柱形凸台；沿所述圆柱形凸台的中心线切出圆柱形凹槽；所述圆柱形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圆柱形凹槽之间的空隙通过聚四氟乙烯填充，用于固定所述纤毛基杆。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：
螺钉和压紧螺母；
所述螺钉用于将所述外部压板固定于所述传感器外壳上；所述传感器外壳的下部中心位置处加工成部分螺纹结构，所述压紧螺母与所述部分螺纹结构配套使用。
8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：
密封套，安装在所述部分螺纹结构中，通过所述压紧螺母进行压紧。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述纤毛基杆的材料为硅橡胶材料。
10.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述纤毛壳斗的材料为硅橡胶材料。
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