CN110879100B - 一种磁性悬挂二维位移矢量水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矢量水听器、抗磁悬浮及电涡流传感器领域，具体涉及一种磁性悬挂二维位移矢量水听器。本发明包括外壳部分、内部柱壳部分和夹层部分；其中，外壳部分为侧面四周预留开孔、上下表面完整的立方体；内部柱壳部分为非磁性金属材质，安装于外壳部分内部的几何中心，其侧面圆周不与外壳部分相切，而是预留有一定间隙；夹层部分位于外壳部分和内部柱壳部分之间；本发明可增加了测量维数，增大其灵敏度，并对传统矢量水听器悬挂方面进行改进，且具有安装稳定性高、体积小、低频和甚低频灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及矢量水听器、抗磁悬浮及电涡流传感器领域，具体涉及一种磁性悬挂二维位移矢量水听器。
背景技术
矢量水听器的出现被誉为“水声技术的革命”，它相较于传统声压水听器可以获得更全面的声场信息，矢量水听器可以获取水下声场中的矢量信息，包括水质点的位移、振速、加速度及声压梯度等。如今，振速、加速度及声压梯度式矢量水听器的技术已经趋于成熟，在水声的各个领域中都有着广泛的应用，然而位移式矢量水听器的研究较少，仍旧处于起步阶段。传统的矢量水听器为加速度式矢量水听器，由于其自身特性，在低频段内灵敏度较低，而位移式矢量水听器，其灵敏度幅频特性是随频率的减小，每倍频程6dB增大，因此其灵敏度在低频、甚低频下相对较高。因此，位移传感器作为矢量水听器的敏感元件对低频性能有着一定的提升。
目前，电涡流位移矢量水听器由于其优秀的甚低频性能逐渐进入人们的视野。参考论文“Eddy-current non-inertial displacement sensing for underwaterinfrasound measurements”，国外对于电涡流式矢量水听器的研究有了一定的开展，然而其作者并未在水下进行实验，且其水听器样机由于位移传感器量程较大，牺牲了灵敏度，同时其水听器受到悬挂绳的作用，对其自由运动产生影响，该论文总体在探索阶段。在国内，这一领域暂无发表的资料。
另外，抗磁悬浮是一种仅依靠抗磁物质在磁场中的排斥力使其物质在空中悬浮的方法，是一种无接触的悬浮方式，不需要任何的外力对其进行作用。专利号为ZL2012100109876,2013的专利，磁悬浮二维柱形矢量水听器，便是近年来国内在矢量水听器领域内的研究。但由于抗磁物质与磁场产生的斥力较小，在实际应用中存在一定的难题，本发明运用磁-阿基米德悬浮方式对其进行改进，使得在磁场较小时即可对抗磁性物质进行稳定悬浮。
发明内容
本发明的目的在于提供安装稳定性高、体积小以及低频灵敏度高的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器。
本发明的目的是这样实现的：
一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，包括外壳部分、内部柱壳部分和夹层部分；其中，外壳部分为侧面四周预留开孔、上下表面完整的立方体；内部柱壳部分为非磁性金属材质，安装于外壳部分内部的几何中心，其侧面圆周不与外壳部分相切，而是预留有一定间隙；夹层部分位于外壳部分和内部柱壳部分之间；
外壳部分包括：透声外壳1，电涡流传感器一6-1、电涡流传感器二6-2、电涡流传感器三6-3、电涡流传感器四6-4以及输出导线一7-1、输出导线二7-2、输出导线三7-3、输出导线四7-4；透声外壳1为外壳部分主体，其侧面四周预留开孔、上下表面完整；四个电涡流传感器分别安装于透声外壳1侧面四周预留开孔处，四个电涡流传感器的轴线相交于透声外壳1的几何中心；四个输出导线分别对应四个电涡流传感器，其一端连接对应的电涡流传感器，一端作输出；
内部柱壳部分包括：非磁性金属柱壳2、上石墨盖3-1以及下石墨盖3-2；非磁性金属柱壳2为铜或铝材料，其位于透声外壳1内部的几何中心，其外表面与透声外壳1预留一定间隙；上石墨盖3-1和下石墨盖3-2为抗磁性材料，分别位于非磁性金属柱壳2的上下两端；
夹层部分包括：上永磁铁单元4-1、下永磁铁单元4-2以及顺磁性溶液5；上永磁铁单元4-1和下永磁铁单元4-2分别固定于透声外壳1内部的上下表面；顺磁性溶液5充满于透声外壳1内部与非磁性金属柱壳2之间。
所述的电涡流传感器，其在透声外壳1的通孔上需进行固定和水密处理，并且电涡流传感器一6-1结合电涡流传感器三6-3、电涡流传感器二6-2结合电涡流传感器四6-4分别构成正交的X和Y通道，通过各自的输出导线形成差分输出结构，作为矢量水听器的运动敏感元件；
所述的非磁性金属柱壳2，其内部填充低密度复合材料，经过上石墨盖3-1和下石墨盖3-2的封装，整个柱体密度与水近似，作为矢量水听器的拾振元件；
所述的永磁铁单元，每个永磁铁单元包括4块永磁铁，磁力线方向如图4所示，其与两个石墨盖形成磁性悬挂系统；
所述的顺磁性溶液5具体为可对抗磁悬挂进行增强得硝酸镝溶液。
本发明的有益效果在于：
1.本发明对位移式矢量水听器的结构进行了进一步的优化，增加了测量维数，增大其灵敏度，并对传统矢量水听器悬挂方面进行改进，且具有安装稳定性高、体积小、低频和甚低频灵敏度高等优点；填补了国内该领域的空白，
2.本发明四个电涡流传感器构成X、Y两个通道，可以用于两个正交方向的测量；
3.本发明X、Y两个通道均进行差分输出，抑制噪声能力较强；
4.本发明所采用的磁性悬挂系统为非接触悬挂，较传统悬挂方式其谐振频率极低，因此矢量水听器的低频性能较好；
附图说明
图1为一种磁性悬挂二维位移矢量水听器的剖面图；
图2为一种磁性悬挂二维位移矢量水听器的俯视图；
图3为本发明非磁性金属柱壳的示意图；
图4为本发明永磁铁单元中永磁体排列分布的示意图。
图中的附图标记为：透声外壳1，非磁性金属柱壳2，上石墨盖3-1，下石墨盖3-2，上永磁铁单元4-1，下永磁铁单元4-2，顺磁性溶液5，电涡流传感器一6-1，电涡流传感器二6-2，电涡流传感器三6-3，电涡流传感器四6-4，输出导线一7-1，输出导线二7-2，输出导线三7-3，输出导线四7-4。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：本发明包括一个透声外壳、非磁性金属柱壳、两个抗磁性材料盖、四只电涡流传感器件、八块永磁铁以及顺磁性溶液，其中不同电涡流传感器之间的一致性较好。所述的非磁性金属柱壳为矢量水听器的拾振元件，具体为铜柱壳体，内部由低密度材料灌封。所述的两个抗磁性材料盖为石墨，安装在铜柱壳的上下端面。所述的矢量水听器采用电涡流传感器为其运动敏感元件，具体来说是一个单轴向位移传感器，对被测体的位移量进行测量，其中单通道为两个电涡流传感器的差分输出；同时两个通道互相正交。所述的顺磁溶液对抗磁悬挂进行增强，具体的说是硝酸镝溶液。所述的八个永磁铁分为两组，每组四个按照图4排布。永磁铁安装在透声外壳上下内表面，与柱壳的石墨端面构成磁性悬挂系统。
所述的透声外壳，其水平方向上四个面留有通孔，可对电涡流传感器进行安装。所述的非磁性金属柱壳为铜或铝材料，抗磁性材料为石墨，柱壳内部填充低密度复合材料。所述的永磁铁，四块为一组安装在外壳垂直方向两个平面上。所述的顺磁性溶液为硝酸镝溶液。所述的电涡流传感器与透声外壳连接，X、Y两个方向上传感器正交，每个方向上两只电涡流传感器分别安装在非磁性金属柱壳两侧，进行差分输出。
本发明中，矢量水听器的敏感元件为电涡流传感器。电涡流传感器的基本原理是电磁感应定律，由法拉第电磁感应定律可知，当电涡流传感器的线圈通有交流电时，线圈会产生一个交变磁场，当靠近被测金属时，在金属表面产生涡流，此涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场，对原磁场进行部分抵消，从而导致线圈的等效电感产生变化。当电涡流传感器与被测金属距离改变时，涡流磁场产生变化，从而使线圈的等效电感发生改变，通过此变化可以对线圈与被测体之间的距离进行测量。
本发明中，磁悬挂运用了磁-阿基米德技术。磁-阿基米德悬浮是结合了顺磁性悬浮和浮力原理，通过顺磁性溶液的磁化方向与磁场方向相同从而受到磁场吸引的原理，对抗磁性物质产生一个附加浮力。同时，使用的永磁铁如图4排布，其原理见论文(蔡舒啸，雷一明等.抗磁材料磁悬浮的理论模拟.大学物理，2012，31(12)：48-53)，可以使被测柱壳实现稳定悬浮。
本发明中，位移式矢量水听器的原理为刚性柱的声接收原理，当刚性柱密度与水保持一致时，能够模拟水质点的运动，其位移与水质点的位移成比例，通过测量刚性柱的位移进而对水质点位移进行测量。
如图1，整个系统包括透声外壳1，非磁性金属柱壳2及其石墨盖3，永磁铁4，顺磁性溶液5，电涡流传感器6，输出导线7。
如图1和4，在透声外壳1的上下内表面安装永磁铁4，永磁铁4的结构如图4所示。
如图1和3，将非磁性金属柱壳2内部填充低密度材料，并用石墨盖3将其封装，使得整个柱体密度与水近似，并将其安装在两组永磁铁之间。
如图1和2，将四只电涡流传感器6安装在透声外壳1水平平面的四个通孔中，调整位置使得被测柱体在四只传感器的中心，并对通孔进行固定、水密，同一通道的两只传感器，输出导线7进行差分。
如图1和2，最终将顺磁性溶液5注入透声外壳1中，完成后对整个矢量水听器进行水密。
综上，本发明提供了一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，包括一个透声外壳、非磁性金属柱壳、两个抗磁性材料盖、八块永磁铁、顺磁性溶液、四只电涡流传感器；其中电涡流传感器之间一致性较好。本发明具有非接触悬挂、体积小、低频性能好以及便于实际应用等优点。
Claims (7)
1.一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：包括外壳部分、内部柱壳部分和夹层部分；其中，外壳部分为侧面四周预留开孔、上下表面完整的立方体；内部柱壳部分为非磁性金属材质，安装于外壳部分内部的几何中心，其侧面圆周不与外壳部分相切，而是预留有一定间隙；夹层部分位于外壳部分和内部柱壳部分之间；所述的外壳部分包括：透声外壳(1)，电涡流传感器一(6-1)、电涡流传感器二(6-2)、电涡流传感器三(6-3)、电涡流传感器四(6-4)以及输出导线一(7-1)、输出导线二(7-2)、输出导线三(7-3)、输出导线四(7-4)；透声外壳(1)为外壳部分主体，其侧面四周预留开孔、上下表面完整；四个电涡流传感器分别安装于透声外壳(1)侧面四周预留开孔处，四个电涡流传感器的轴线相交于透声外壳(1)的几何中心；四个输出导线分别对应四个电涡流传感器，其一端连接对应的电涡流传感器，一端作输出；所述的内部柱壳部分包括：非磁性金属柱壳(2)、上石墨盖(3-1)以及下石墨盖(3-2)；非磁性金属柱壳(2)为铜或铝材料，其位于透声外壳(1)内部的几何中心，其外表面与透声外壳(1)预留一定间隙；上石墨盖(3-1)和下石墨盖(3-2)为抗磁性材料，分别位于非磁性金属柱壳(2)的上下两端；所述的夹层部分包括：上永磁铁单元(4-1)、下永磁铁单元(4-2)以及顺磁性溶液(5)；上永磁铁单元(4-1)和下永磁铁单元(4-2)分别固定于透声外壳(1)内部的上下表面；顺磁性溶液(5)充满于透声外壳(1)内部与非磁性金属柱壳(2)之间。
2.根据权利要求1所述的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：所述的电涡流传感器，其在透声外壳(1)的通孔上需进行固定和水密处理，并且电涡流传感器一(6-1)结合电涡流传感器三(6-3)、电涡流传感器二(6-2)结合电涡流传感器四(6-4)分别构成正交的X和Y通道，通过各自的输出导线形成差分输出结构，作为矢量水听器的运动敏感元件。
3.根据权利要求1或2所述的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：所述的非磁性金属柱壳(2)内部填充低密度复合材料，经过上石墨盖(3-1)和下石墨盖(3-2)的封装，整个柱体密度与水近似，作为矢量水听器的拾振元件。
4.根据权利要求1或2所述的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：所述的永磁铁单元，每个永磁铁单元包括4块永磁铁，并与两个石墨盖形成磁性悬挂系统。
5.根据权利要求3所述的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：所述的永磁铁单元，每个永磁铁单元包括4块永磁铁，并与两个石墨盖形成磁性悬挂系统。
6.根据权利要求4所述的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：所述的顺磁性溶液(5)，具体为可对抗磁悬挂进行增强得硝酸镝溶液。
7.根据权利要求5所述的一种磁性悬挂二维位移矢量水听器，其特征在于：所述的顺磁性溶液(5)，具体为可对抗磁悬挂进行增强得硝酸镝溶液。
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