CN109959366A - 水深探头、水深检测系统及微差水深测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水深探头、水深检测系统及微差水深测量方法，涉及水深测量技术领域，本发明提供的水深探头包括：壳体、应变式压力传感器和控制阀，壳体围设形成密闭的内腔室，壳体上设有第一通孔和第二通孔，应变式压力传感器连接并覆盖第一通孔，用于检测内腔室内外的压力差；控制阀与第二通孔连接，控制内腔室与外部的通断，本发明提供的水深探头缓解了现有技术中水深测量的量程范围受限于应变式压力传感器的线性范围的技术问题，无需使用昂贵的大量程应变式压力传感器，可以实现大深度测量。

Description

水深探头、水深检测系统及微差水深测量方法

技术领域

本发明涉及水深测量技术领域，尤其是涉及一种水深探头、水深检测系统及微差水深测量方法。

背景技术

水深测量装置通常采用密闭容器侧壁开设孔位，并在孔位中镶嵌应变式压力传感器。由于水压与深度正相关，当密闭容器浸没在水中时，密闭容器内外的压力差逐渐增大。以压力差和密闭容器的浸没深度建立对应关系表，从而可以根据密闭容器内外的压力差测量水深。

由于应变式压力传感器存在线性范围较窄的缺点，因此限制了水深测量装置的量程。例如，能够测量1000m水深的压力传感器，在800m～1000m的水深范围内可以实现准确测量，在300m～800m的水深范围内可以粗略测量，在0m～300m的水深范围内无法实现测量。在海洋深度检测中，需要运用多种量程范围的应变式压力传感器，并且大量程的应变式压力传感器的售价极高，极大地提升了水深测量成本。由此可见，现有技术中水深测量装置的量程范围受限于应变式压力传感器的线性范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水深探头、水深检测系统及微差水深测量方法，以缓解现有技术中水深测量的量程范围受限于应变式压力传感器的线性范围的技术问题。

第一方面，本发明提供的水深探头，包括：壳体、应变式压力传感器和控制阀，所述壳体围设形成密闭的内腔室，所述壳体上设有第一通孔和第二通孔，且所述第一通孔和所述第二通孔均与所述内腔室连通；所述应变式压力传感器连接并覆盖所述第一通孔，用于检测所述内腔室内外的压力差；所述控制阀与所述第二通孔连接，控制所述内腔室与外部的通断。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述应变式压力传感器的量程为以0N为起始的连续压力范围。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述应变式压力传感器采用膜片式压力传感器。

第一方面，本发明提供的水深检测系统，包括：控制器和第一方面提供的水深探头，所述应变式压力传感器和所述控制阀分别与所述控制器相连接。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述水深检测系统包括显示器，所述显示器与所述控制器相连接。

第三方面，本发明提供的微差水深测量方法，包括如下步骤：关闭控制阀，并将水深探头自水面浸入水中；在水深探头下潜过程中：当应变式压力传感器的测量值等于预设压力值时，中止水深探头下潜，并开启控制阀；当压力传感器的测量值等于0N时，关闭控制阀，并继续使水深探头下潜；根据应变式压力传感器的测量值和控制阀的开启次数获得被测水深值。

结合第三方面，本发明提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，在将水深探头自水面浸入水中的步骤之前，进行压差校准；所述压差校准的步骤包括：使水深探头位于水面上方，开启控制阀直至应变式压力传感器的测量值为0N。

结合第三方面，本发明提供了第三方面的第二种可能的实施方式，其中，所述微差水深测量方法包括：当水深探头下潜至预设深度时，使水深探头上浮至水面，并开启控制阀。

结合第三方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第三方面的第三种可能的实施方式，其中，若所述被测水深值大于所述预设深度，在所述使水深探头上浮至水面，并开启控制阀的步骤后，再使水深探头浸没至预设深度；待应变式压力传感器的测量值为0N时关闭控制阀，并使水深探头自预设深度继续下潜。

结合第三方面，本发明提供了第三方面的第四种可能的实施方式，其中，所述微差水深测量方法包括：当所述水深探头浸没在水中的时间大于等于预设时间时，使水深探头上浮至水面，并开启控制阀。

本发明实施例带来了以下有益效果：采用壳体围设形成密闭的内腔室，壳体上设有第一通孔和第二通孔，且第一通孔和第二通孔均与内腔室连通的方式，应变式压力传感器连接并覆盖第一通孔，用于检测内腔室内外的压力差；控制阀与第二通孔连接，控制内腔室与外部的通断；通过控制阀能够将内腔室与外界连通，在压力传感器的变形量达到线性范围最大值时平衡内腔室的内外压力，从而使应变式压力传感器能够承受壳体继续下潜带来的水压作用，进而达到扩大水深检测量程的目的。无需使用昂贵的大量程应变式压力传感器，可以通过多次累加测量实现大深度测量，有利于降低水深测量的设备成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例一提供的水深探头的剖视图；

图2为本发明实施例二提供的水深检测系统的示意图；

图3为本发明实施例三提供的微差水深测量方法的流程图。

图标：1-壳体；11-内腔室；2-应变式压力传感器；3-控制阀；4-控制器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的水深探头，包括：壳体1、应变式压力传感器2和控制阀3，壳体1围设形成密闭的内腔室11，壳体1上设有第一通孔和第二通孔，且第一通孔和第二通孔均与内腔室11连通；应变式压力传感器2连接并覆盖第一通孔，用于检测内腔室11内外的压力差；控制阀3与第二通孔连接，控制内腔室11与外部的通断。

具体地，应变式压力传感器2连接于第一通孔，当壳体1浸没在水中时，且水压大于内腔室11内部压力，从而变式应变式压力传感器2检测内腔室11内外压力差值。当控制阀3开启时，壳体1外侧的水在压力差作用下，流入内腔室11中，从而使内腔室11内外压力相等；关闭控制阀3，且壳体1下潜时，内腔室11外侧水压逐渐大于内腔室11内部水压，应变式压力传感器2用于检测内腔室11的内外压力差。

使用时，先将壳体1放置在水面上方，从而使应变式压力传感器2背离内腔室11的一侧与空气接触；开启控制阀3向内腔室11内注水，直至内腔室11内部的水压与大气压相等，此时应变式压力传感器2的测量值为0N。当壳体1浸没在水中时，内腔室11的初始压力等于大气压，壳体1外壁受到的压力为大气压和水压，应变式压力传感器2的测量值等于内腔室11的内外压力差值，即应变式压力传感器2的测量值为壳体1外壁受到的水压。当壳体1沿铅锤方向下潜时，随下潜深度的增大，应变式压力传感器2的测量值逐渐增大，当测量值等于预设压力值时，中止水深探头下潜，并开启控制阀3；预设压力值应小于等于应变式压力传感器2的线性范围最大值，在应变式压力传感器2的线性范围内，随着壳体1内外压力差值的增大，应变式压力传感器2的容抗或者阻抗随之变化，由此可以根据应变式压力传感器2的电性变化通过模数转换获知壳体1内外压力差值，根据壳体1内外压力差值通过计算或查表获知壳体1的下潜深度。当控制阀3开启时，壳体1外部的水进入内腔室11，从而使内腔室11内外压力相等，应变式压力传感器2的测量值为0N；此时关闭控制阀3，内腔室11再次密闭，随着壳体1的下潜，壳体1外部压力继续增大，应变式压力传感器2可以继续检测壳体1的下潜深度，由此使水深探头的深度测量范围免受应变式压力传感器2的线性范围限制。水深测量时，可以使用低成本、小量程的应变式压力传感器2，实现大水深测量。

在本发明实施例中，应变式压力传感器2的量程为以0N为起始的连续压力范围。例如，应变式压力传感器2的量程可以用于检测0m～100m水深范围内壳体1的内外压力差值，预设压力值为水深100m处的水压值，当壳体1下潜至100m深时，控制阀3开启，使水流入内腔室11中；待应变式压力传感器2的测量值为0N时，说明内腔室11内外水压相等，此时关闭控制阀3，并使壳体1继续下潜，如此被测水深值等于应变式压力传感器2的测量值所对应的深度值与预设压力值之和；当壳体1下潜多个100m深时，被测水深值为多个预设压力值对应的水深值的累加。

进一步的，应变式压力传感器2采用膜片式压力传感器。其中，膜片式压力传感器连接并覆盖壳体1的第一通孔，并且应变式压力传感器2与壳体1之间密封，以防止壳体1下潜时外界水流入内腔室11中。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供的水深检测系统，包括：控制器4和实施例一提供的水深探头，应变式压力传感器2和控制阀3分别与控制器4相连接。

具体地，控制器4能够根据应变式压力传感器2的信号计算壳体1内外的压力差值，并根据压力差值获得壳体1的下潜深度。其中，以水的密度在铅锤方向均匀分布为例，P＝ρ·g·h，其中P为水压，单位为Pa，ρ为水的密度，单位为kg/m³；h为水深，单位为米；g为重力加速度，单位为m/s²。在水压、重力加速度和水的密度均已知的条件下，控制器4能够通过计算获得壳体1的下潜深度。但是，在进行海水深度测量时，由于不同深度海水盐度不同，在铅锤方向上的海水密度不同，在进行水深测量时，控制器4需要根据压力值通过查表获得对应的水深。

进一步的，水深检测系统包括显示器，显示器与控制器4相连接。其中，显示器用于显示被测水深值，以便测量者获知壳体1的下潜深度。

实施例三

如图3所示，本发明实施例提供的微差水深测量方法，包括如下步骤：

关闭控制阀3，并将水深探头自水面浸入水中；

在水深探头下潜过程中：当应变式压力传感器2的测量值等于预设压力值时，中止水深探头下潜，并开启控制阀3；当应变式压力传感器2的测量值等于0N时，关闭控制阀3，并继续使水深探头下潜；

根据应变式压力传感器2的测量值和控制阀3的开启次数获得被测水深值。

具体地，关闭控制阀3，并将水深探头自水面浸入水中，随着壳体1的下潜，应变式压力传感器2的测量值逐渐增大，当应变式压力传感器2的测量值等于预设压力值时，中止水深探头下潜，并开启控制阀3；令i＝i+1，i为使壳体1内外水压相等操作中，控制阀3的开启次数，初始值为0；待应变式压力传感器2的测量值等于0N时，关闭开启控制阀3，并继续使水深探头下潜；若沿铅锤方向水的密度均匀，则P＝i·P_z+P_s，其中，P为被测水深值所对应的压力值；P_z为预设压力值；P_s为当前应变式压力传感器2的测量值。若沿铅锤方向水的密度不均，则P_i为控制阀3第i次开启时壳体1相对于控制阀3第i-1次开启时，壳体1外壁所受的水压增量，其中i大于等于2；当i等于1时，P_i为壳体1下潜至控制阀3第1次开启时，壳体1外壁所受的水压。

进一步的，在将水深探头自水面浸入水中的步骤之前，进行压差校准；压差校准的步骤包括：使水深探头位于水面上方，开启控制阀3直至应变式压力传感器2的测量值为0N。由此可以使壳体1在浸没水中之前，内腔室11内部的水压与大气压相等，由此壳体1内外压力差值等于壳体1所受的水压值。

进一步的，微差水深测量方法包括：当水深探头下潜至预设深度时，使水深探头上浮至水面，并开启控制阀3。水深探头连续下潜的过程中，需要多次开启控制阀3，以使内腔室11内外压力相等，因此将导致水深测量的误差值多次累加。例如若壳体1长时间浸没在水中，壳体1受水压作用，内腔室11的体积存在缩小的可能，由此将导致内腔室11内部水压增大；开启控制阀3不能确保内腔室11内外压力完全相等；以及开启控制阀3时应变式压力传感器2的测量值与预设压力值之间存在误差等因素均可能引起深度测量误差，因此为了避免壳体1长时间浸没在水中造成误差累加，应在一定时间内使壳体1浮出水面进行校准。

进一步的，若被测水深值大于预设深度，在使水深探头上浮至水面，并开启控制阀3的步骤后，再使水深探头浸没至预设深度；待应变式压力传感器2的测量值为0N时关闭控制阀3，并使水深探头自预设深度继续下潜。当被测水深值大于预设深度，为了避免误差继续累加，将水深探头上浮至水面，通过开启控制阀3使内腔室11内气压与大气压相等，再将壳体1浸没至预设深度，待内腔室11内外液压相等时关闭控制阀3，并继续操作壳体1下潜，从而继续水深测量，能够解决测量误差连续累加的问题，有利于提高测量精度。此外，自水面至预设深度使用应变式压力传感器2进行水压测量时，由于应变式压力传感器2长时间受压力作用，易导致应变式压力传感器2性能疲劳，从而影响检测精度，尤其是检测水深大于预设深度时的精度影响较大。以使用水深探头测量第一潜水器下潜深度为例：先将水深探头与第一潜水器连接，直至壳体1随第一潜水器下潜至预设深度；再将水深探头与第一潜水器分离，通过第二潜水器携带水深探头上浮至水面，开启控制阀3使内腔室11内气压与大气压相等；再通过第二潜水器携带水深探头下潜至预设深度，并将水深探头与第一潜水器连接，待内腔室11内外液压相等时关闭控制阀3，使水深探头自预设深度起随第一潜水器继续下潜，从而实现对第一潜水器下潜深度的测量。在第一潜水器下潜深度大于预设深度时，先使应变式压力传感器2上浮至水面，在平衡内腔室11内外液压的条件下将壳体1下潜到预设深度，从而避免应变式压力传感器2长时间受力造成性能疲劳。

进一步的，微差水深测量方法包括：当水深探头浸没在水中的时间大于等于预设时间时，使水深探头上浮至水面，并开启控制阀3，由此可以避免壳体1长时间浸没在水中造成测量误差累积。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种水深探头，其特征在于，包括：壳体(1)、应变式压力传感器(2)和控制阀(3)，所述壳体(1)围设形成密闭的内腔室(11)，所述壳体(1)上设有第一通孔和第二通孔，且所述第一通孔和所述第二通孔均与所述内腔室(11)连通；

所述应变式压力传感器(2)连接并覆盖所述第一通孔，用于检测所述内腔室(11)内外的压力差；

所述控制阀(3)与所述第二通孔连接，控制所述内腔室(11)与外部的通断。

2.根据权利要求1所述的水深探头，其特征在于，所述应变式压力传感器(2)的量程为以0N为起始的连续压力范围。

3.根据权利要求1所述的水深探头，其特征在于，所述应变式压力传感器(2)采用膜片式压力传感器。

4.一种水深检测系统，其特征在于，包括：控制器(4)和权利要求1-3任一项所述的水深探头，所述应变式压力传感器(2)和所述控制阀(3)分别与所述控制器(4)相连接。

5.根据权利要求4所述的水深检测系统，其特征在于，所述水深检测系统包括显示器，所述显示器与所述控制器(4)相连接。

6.一种微差水深测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

关闭控制阀(3)，并将水深探头自水面浸入水中；

在水深探头下潜过程中：当应变式压力传感器(2)的测量值等于预设压力值时，中止水深探头下潜，并开启控制阀(3)；当压力传感器(2)的测量值等于0N时，关闭控制阀(3)，并继续使水深探头下潜；

根据应变式压力传感器(2)的测量值和控制阀(3)的开启次数获得被测水深值。

7.根据权利要求6所述的微差水深测量方法，其特征在于，在将水深探头自水面浸入水中的步骤之前，进行压差校准；

所述压差校准的步骤包括：使水深探头位于水面上方，开启控制阀(3)直至应变式压力传感器(2)的测量值为0N。

8.根据权利要求6所述的微差水深测量方法，其特征在于，所述微差水深测量方法包括：

当水深探头下潜至预设深度时，使水深探头上浮至水面，并开启控制阀(3)。

9.根据权利要求8所述的微差水深测量方法，其特征在于，若所述被测水深值大于所述预设深度，在所述使水深探头上浮至水面，并开启控制阀(3)的步骤后，再使水深探头浸没至预设深度；

待应变式压力传感器(2)的测量值为0N时关闭控制阀(3)，并使水深探头自预设深度继续下潜。

10.根据权利要求6所述的微差水深测量方法，其特征在于，所述微差水深测量方法包括：

当所述水深探头浸没在水中的时间大于等于预设时间时，使水深探头上浮至水面，并开启控制阀(3)。