CN111289220A - 一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置 - Google Patents

一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于流体运动测量硬件设备技术领域，尤其涉及一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置。包括固定设置在基座上的安装体，安装体内部中空形成安装腔，安装腔中间形成上腔体和下腔体；还包括设置在安装体上的人工触须以及设置在安装体内部的电容传感组件以及应变传感组件；电容传感组件包括设置在上腔体中的圆柱形的电容安装环；电容安装环的外表面设置有内电容板，上腔体内设置有多个外电容板；人工触须伸入下腔体的端部设置有多个支撑臂，支撑臂上设有应变片。本专利采用联合使用电容传感单元和应变传感单元的触须传感装置设计方案，可以实现对高频信号和大范围位移信号的准确测量。为更好的实现流体运动的准确测量提供了新的方案。

Description

一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置
技术领域
本发明属于流体运动测量硬件设备技术领域，尤其涉及一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置。
背景技术
在海洋当中，许多种类的生物都可以不依赖于视觉和听觉，而仅仅利用毛发或触须来探测水动力变化，进而对周围环境进行监测。例如：海豹可以利用其灵敏的触须获得水动力信息，从而进行导航和捕食。从仿生学角度出发，开发可以测量流体运动的传感器装置，具有重要的应用前景。例如，水下无人潜航器依赖于对流体的测量进行导航，以及可以利用对流体的测量信息跟踪环境污染或者定位海底自然资源。从军事应用的角度，可以利用测量的流体信息来探测水中物体的运动，进而探测潜艇等。
当前，国外研究机构仿照海豹触须的生物结构设计了几种用于探测水体运动的速度和方向的触须传感器。这些方案大都只利用压电传感器或电容传感器等捕捉流体对人工触须所造成的位移和细小形状变化。
然而，现有设计存在两个重要问题：一是电容传感器的设计不够完善，使得电容板之间的空隙容易被水等其他液体浸入，从而导致测量失效和传感原件被侵蚀；二是单纯使用电容传感器或应变传感器均存在测量局限。如电容传感器测量位移范围较大，但响应较慢对高频信号测量受限，应变传感器响应快适合测量高频信号，但是对位移测量范围小。
发明内容
本发明创造的目的在于提供一种能够实现较大测量范围的同时能够获得较高测量灵敏度的基于人工触须的流体运动测量传感器装置。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
本发明涉及一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，包括固定设置在基座上的安装体2，安装体2内部中空形成安装腔20，安装体2顶部设置有安装孔，安装腔20中间设置有隔板20a形成上腔体20b和下腔体20c；隔板20a中间设置有过孔20d；
安装体2用于隔离内外部环境以及保护内部装置，并通过其连接固定在其他设施或设备上，因此在具体实施过程中，安装体2内外部表面还可能设置有用于连接固定电容板、应变片或者连接其他结构的的卡槽、孔等常规连接结构。
为了成数据的实际测量，本发明的结构还包括设置在安装体2上的人工触须1以及设置在安装体2内部的电容传感组件以及应变传感组件；人工触须1从安装孔插入上腔体20b后经过过孔20d伸入下腔体20c；安装孔中设有上密封薄膜3a，过孔20d中设有下密封薄膜3b，人工触须1通过上密封薄膜3a和下密封薄膜3b可摆动的与安装体2连接；
电容传感组件包括设置在上腔体20b中的圆柱形的电容安装环5；电容安装环5套设在人工触须1上并随人工触须1在上腔体20b中摆动；电容安装环5的外表面设置有内电容板，上腔体20b内设置有多个外电容板20g，外电容板20g离散均匀对称分布在腔壁上；
人工触须1伸入下腔体20c的端部设置有星型结构支撑架，星型结构支撑架包括多个支撑臂7a，支撑臂7a上设有应变片，支撑臂7a环绕人工触须1设置，支撑臂7a的另一端固定连接至下腔体20c内壁。
对前述基于人工触须的流体运动测量传感器装置的进一步改进，至少包括四个呈十字形环绕人工触须1设置的支撑臂7a；至少包括四个外电容板20g。已实现传统八个方向上数据的完全获取，更好地与常见数据收集处理设备匹配，提高准确度。
对前述基于人工触须的流体运动测量传感器装置的进一步改进，上腔体20b内填充有软性绝缘介质。
对前述基于人工触须的流体运动测量传感器装置的进一步改进，下密封薄膜3b的直径小于上密封薄膜3a；下密封薄膜3b和上密封薄膜3a与人工触须1之间为密封连接，以防止液体浸入。
对前述基于人工触须的流体运动测量传感器装置的进一步改进，人工触须1为截面为椭圆形的柱体或筒体，人工触须的表面设置有一道或者多道螺旋凹槽1a。
对前述基于人工触须的流体运动测量传感器装置的进一步改进，外电容板20g与电容安装环5上设置的内电容板对应设置，外电容板20g的长度小于电容安装环上内电容板的长度，以使内电容板和外电容板相对位移过程中交错面积基本保持不变，使得电容变化仅反应两者间距变化。
对前述基于人工触须的流体运动测量传感器装置的进一步改进，星型结构支撑架上设有多个第一支撑臂，第一支撑臂指向相邻外电容板之间的间隙。通过穿插设置，可以获得更全面准确的位移或者应变数据，减少试验次数，提高效率。
其有益效果在于：
本发明专利采用联合使用电容传感单元和应变传感单元的触须传感装置设计方案，可以实现对高频信号和大范围位移信号的准确测量。为更好的实现流体运动的准确测量提供了新的方案。
附图说明
图1是基于人工触须的流体运动测量传感器装置的结构示意图；
图2是基于人工触须的流体运动测量传感器装置内部示意图；
图3是电容传感单元工作原理示意图；
图4是实施例中十字型应变片的分布示意图；
图5是基于人工触须的流体运动测量传感器装置的仰视图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
本发明提供了一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，当流体经过传感器装置时，利用人工触须感知相关的激励信号，通过人工触须下部圆柱形腔体内部的电容传感单元和应变传感单元进行信号转换和测量。
实施例
如图1、图2所示，其具体结构包括固定设置在基座上的安装体2，安装体2内部中空形成安装腔20，安装体2连接在固定或活动基座上以支撑整体结构，本实施例中，安装体2整体形状为圆柱形，在实际使用时可以根据安装固定需求灵活设置；为便于安装和使用，安装腔20一般设计为圆柱形内腔，安装体2优先采用高强度的轻质材料加工制作，由于需要与各类流体直接接触，因此针对实际测量的流体类型，优选具有防渗透以及耐腐蚀等特性的材质。
安装体2顶部设置有安装孔，安装腔20中间设置有隔板20a形成上腔体20b和下腔体20c；隔板20a中间设置有过孔20d；人工触须1从安装孔插入上腔体20b后经过过孔20d伸入下腔体20c；安装孔中设有上密封薄膜3a，过孔20d中设有下密封薄膜3b，人工触须1通过上密封薄膜3a和下密封薄膜3b可摆动的与安装体2连接；
还包括设置在安装体2上的人工触须1以及设置在安装体2内部的电容传感组件以及应变传感组件；
电容传感组件包括设置在上腔体20b中的圆柱形的电容安装环5；电容安装环5套设在人工触须1上并随人工触须1在上腔体20b中摆动；电容安装环5的外表面设置有内电容板，上腔体20b内设置有多个外电容板20g，外电容板20g离散均匀对称分布在腔壁上；上腔体20b内填充有软性绝缘介质。
人工触须1伸入下腔体20c的端部设置有星型结构支撑架，星型结构支撑架包括多个支撑臂7a，支撑臂7a上设有应变片，支撑臂7a环绕人工触须1设置，支撑臂7a的另一端固定连接至下腔体20c内壁。通常，支撑臂的上下表面均匀当设置应变片，以保证测量的灵敏度。在本发明中，至少应当包括三个呈环形阵列绕人工触须1设置的支撑臂；以及至少包括三对呈环形阵列绕人工触须1设置的活动电容板5g与固定电容板5g。本实施例中分别使用了呈十字形设置的四个应变片以及电容，以简化设计计算过程，提高准确度。
人工触须作为受力以及传感元件，一般为截面是椭圆形的柱体或筒体，人工触须的表面设置有一道或者多道螺旋凹槽1a，凹槽设计参考了诸如海豹触须的外形结构，主要用以充分捕捉流体运动信号，并且起到一定的滤波作用；下密封薄膜3b的直径小于上密封薄膜3a；下密封薄膜3b和上密封薄膜3a与人工触须1之间为密封连接，以防止液体浸入。
基于前述结构，本发明的传感器可以同时获得两种传感单元的测量优势，可同时实现对触须位移和应变的测量，扩大了位移和信号频率的测量范围。兼顾人工触须的受迫运动的要求以及避免外部的流体、灰尘等对内部传感单元造成的损坏。可以充分提高测量人工触须受迫运动信号的空间分辨率。同时传感器可方便拆卸的构造，便于更换不同形状的人工触须，降低了成本，可靠性高。
以下，对本发明的工作原理进行说明分析。
本发明中，为获得流体运动对人工触须所造成的激励的有效表征，测量信息包括：电容传感单元所测得的人工触须的位移信息；底部应变片以十字形为例传感单元所测得的人工触须的应力信息。
对于电容传感单元的位移测量。如图3所示，假设在流体外力作用下，某一瞬间人工触须体发生微小倾斜。由于倾斜的发生导致触须上安装的圆柱体电容单元与腔壁上的电容片之间的电容发生改变。以一个电容片测得的电容改变为例，如图3所示，该电容片测量单元的输入端为m，输出端为n。则输入与输出之间的电路可表示为图示电路。C_cylinder为圆柱体电容单元的边缘电容，C_plate为腔壁电容片的边缘电容，C_gap和R_gap分别为圆柱体电容单元和腔壁电容片之间所填充的介质的电容和电阻值。R_load为测量电路的负载电阻。通过简化近似，在流体作用下，如图3所示一片腔壁电容片与圆柱电容体之间的测量电路的传递函数可表示为：
Figure BDA0002407541800000041
其中，s＝j2πf,f为频率，Cgap和Rgap的值受腔壁电容片与圆柱电容体之间相对位移的影响。在实际测量时，通过前期标定可以获得电容响应信号与相对位移的系数关系。在此基础上可以实现单个腔壁电容片对人工触须体位移的测量。以此类推，可以得到四片腔壁电容片分别测量的位移信息，通过综合分析即可得到人工触须体空间位移的大小和方向。以上就是本人工触须装置测量应力信息的基本方法。
对于应变片传感单元的应力测量。假设在流体外力作用下，某一瞬间杆芯发生微小倾斜，在微小变形条件下可认为应变片所测得的应变信号与对应的应力信号之间存在线性关系。如图4所示，将底部的十字形应变片分为编号1-4个半边单元，由于四个应变单元程十字对称分布，故可由对应的两个应变片共同测量一个方向上的应变信息(共同测量可消除温度漂移等不利影响，从而提高测量精度)。当流体流入方向为0度时，应变单元1和2产生最大应变，当流入方向为90度时，应变单元3和4产生最大应变，当流入方向为45度时，应变单元1和2以及应变单元3和4均产生中等应变。于是，由应变单元产生的应变大小可以对流体运动方向进行测量。假设应变单元1和2所产生的应变可近似表示为ε12，假设k12为应变单元1和2的应力转换系数(弹性模量)，则应变单元1和2所测量的应力可表示为σ12＝ε12*k12。同理可得，应变单元3和4所测量的应力可表示为σ34＝ε34*k34。根据力的叠加原理，总应力大小可近似表示为：
Figure BDA0002407541800000051
以上就是本发明测量应力信息的基本方法。
为验证本发明所设计的传感装置和相关测量方法的有效性，采用试验测试的方法对测量结果进行量化。试验共包括两个内容，一个是在流速恒定的情况下测试传感装置对流速测量的效果；另外一个是对触须体施加不同频率的正弦激励信号，测试传感装置对频率的测量效果。具体的，在定流速水流的激励下分别记录电容传感单元和应变传感单元的输出信号，在输出信号的基础上通过傅里叶变换等处理手段对信号的频谱进行分析，估计得出流速信息。另外一个方面，将不同频率的单频正弦激励通过激振装置直接施加在人工触须体上，同时记录电容传感单元和应变传感单元的输出信号，在输出信号的基础上通过对信号的频谱等信息进行分析，估计得出频率信息。测试结果如表1所示：
表1流速与频率测量的精度
测试序号 测量流速m/s 真实流速m/s 误差％ 测量频率Hz 真实频率Hz 误差％
1 0.190 0.2 5.0 10.5 10 5.0
2 0.382 0.4 4.5 31.4 30 4.6
3 0.510 0.5 2.0 49.2 50 1.6
4 0.721 0.7 3.0 72.9 70 4.1
5 0.937 0.9 4.1 88.1 90 2.1
6 1.049 1.0 4.9 103.7 100 3.7
由表1可知，基于本发明的传感器装置，具有测量范围广，测量数据精度高的特点，在交大范围的流速测量中，数据的误差率均可控制在5％以内，完全能够满足常规项目的技术要求，能够有效降低测量实验的成本，降低操作难度，提高效率。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，包括固定设置在基座上的安装体(2)，所述安装体(2)内部中空形成安装腔(20)，安装体(2)顶部设置有安装孔，安装腔(20)中间设置有隔板(20a)形成上腔体(20b)和下腔体(20c)；隔板(20a)中间设置有过孔(20d)；
还包括设置在安装体(2)上的人工触须(1)以及设置在安装体(2)内部的电容传感组件以及应变传感组件；
所述人工触须(1)从安装孔插入上腔体(20b)后经过过孔(20d)伸入下腔体(20c)；安装孔中设有上密封薄膜(3a)，过孔(20d)中设有下密封薄膜(3b)，所述人工触须(1)通过上密封薄膜(3a)和下密封薄膜(3b)可摆动的与安装体(2)连接；
所述电容传感组件包括设置在上腔体(20b)中的圆柱形的电容安装环(5)；电容安装环(5)套设在人工触须(1)上并随人工触须(1)在上腔体(20b)中摆动；电容安装环(5)的外表面设置有内电容板，上腔体(20b)内设置有多个外电容板(20g)，外电容板(20g)离散均匀对称分布在腔壁上；
所述人工触须(1)伸入下腔体(20c)的端部设置有星型结构支撑架，星型结构支撑架包括多个支撑臂(7a)，支撑臂(7a)上设有应变片；所述支撑臂(7a)环绕人工触须(1)设置，支撑臂(7a)的另一端固定连接至下腔体(20c)内壁。
2.根据权利要求1所述一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，至少包括四个呈十字形环绕人工触须(1)设置的支撑臂(7a)；至少包括四个外电容板(20g)。
3.根据权利要求1所述一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，上腔体(20b)内填充有软性绝缘介质。
4.根据权利要求1所述一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，下密封薄膜(3b)的直径小于上密封薄膜(3a)；下密封薄膜(3b)和上密封薄膜(3a)与人工触须(1)之间为密封连接，以防止液体浸入。
5.根据权利要求1所述一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，所述人工触须(1)为截面为椭圆形的柱体或筒体，所述人工触须的表面设置有一道或者多道螺旋凹槽。
6.根据权利要求1所述一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，所述外电容板(20g)与电容安装环(5)上设置的内电容板对应设置，外电容板(20g)的长度小于电容安装环上内电容板的轴向高度。
7.根据权利要求1所述一种基于人工触须的流体运动测量传感器装置，其特征在于，所述星型结构支撑架上设有多个第一支撑臂，第一支撑臂指向相邻外电容板之间的间隙。
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