CN115046569A - 一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，属于海洋测量装置技术领域，该装置包括安装架、动力机构以及旋转辅助机构；动力机构包括制动结构和传动机构，制动机构包括直流电机、电机调速器和电磁屏蔽板，电机输出轴向下穿过电磁屏蔽板；传动机构包括电机轴套杆、导电滑环和联轴器，电机轴套杆和导电滑环依次套设在电机输出轴上，联轴器将电机轴套杆和旋转辅助结构同轴连接；旋转辅助结构包括旋转套筒，探头首部固定在圆柱槽中，其中部通过卡箍与旋转套筒固定，其尾部从旋转套筒底端伸出。在带有电磁屏蔽的直流电机作用下，本发明能够辅助探头进行高速自旋转，从而实现近似海洋测试环境的模拟实验，结构简单，性能稳定。

Description

一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置

技术领域

本发明涉及海洋测量装置技术领域，具体涉及一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置。

背景技术

海流是指海水大规模相对稳定地流动，是海水普遍的运动形式之一，对全球气候的稳定和生态的平衡起着至关重要的作用，同时又对沿海人民的生活、生产和海洋的开发利用产生很多影响。因此，海流观测技术一直是海洋行业所关注的焦点之一。

投弃式海流电场剖面仪(Expendable Current Profiler)，是投弃式海洋剖面测量的一种，可快速测量海流剖面信息。采用投弃式海流剖面测量的优点是测量过程采用不回收、不停航的作业方式，测量过程中更加方便快捷，大大提高了海流探测的效率。

投弃式海流电场剖面仪测量原理是基于电磁感应的原理制作而成的，由于地磁场的存在，海流切割地磁场产生磁力线并产生感应电动势。投弃式海流电场剖面仪探头可在释放下落的过程中将电场信号进行调制以及采集，并将数据进行实时上传得到该感应电动势的大小进而推算海流的大小。一般情况下，天然地磁场的总场水平为纳特级别，比较微弱，受环境噪声干扰影响较大。随着我国对海洋事业的大力发展，虽然在投弃式海流测量进行了相关研究并取得一定的研究成果，但目前国内仍缺乏在海水环境中进行XCP高速自旋转实验测试的低噪声干扰装置，从而导致室内实验数据不充分，增加海洋实验的风险和不确定性，提高测试成本，降低研发效率，从而影响XCP技术的完善与发展的进程。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，包括安装架和设置在安装架上的动力机构以及旋转辅助机构；

动力机构包括制动结构和传动机构，制动机构包括直流电机、电机调速器和电磁屏蔽板，直流电机和电机调速器固定在电磁屏蔽板上，电机调速器和直流电机电连接，电机输出轴向下穿过电磁屏蔽板；传动机构包括电机轴套杆、导电滑环和联轴器，电机轴套杆和导电滑环依次套设在电机输出轴上，联轴器将电机轴套杆和旋转辅助结构同轴连接；

旋转辅助结构包括旋转套筒和卡箍，旋转套筒顶端设有端盖，端盖外侧设有连接轴，其内侧中心设有圆柱槽，探头首部固定在圆柱槽中，其中部通过卡箍与旋转套筒固定，其尾部从旋转套筒底端伸出。

安装架包括两个横臂以及与横臂垂直连接的四个支撑臂，支撑臂表面包裹有电磁波吸收材料；

四个支撑臂下端通过连接板连接构成方形框架，电磁屏蔽板设置在方形框架上，电磁屏蔽板上开设有供电机输出轴穿过的通孔，通孔处采用屏蔽接口设计。

进一步地，导电滑环的定子与电机屏蔽板底部相固定，其转子与电机轴套杆相固定，转子导线连接探头的数据传输线以及测试点；

进一步地，直流电机周围罩设有电磁屏蔽金属网，电磁屏蔽网的厚度为2mm。

进一步地，导电滑环和联轴器均采用非金属结构。

进一步地，旋转套筒底部设有半环形结构，半环形结构与卡箍通过螺丝固定连接，卡箍具有半圆周状的夹紧面，该夹紧面与探头外周壁相贴合。

进一步地，旋转套筒采用ABS材料制作而成，其内径为10cm，套筒整体重量为2kg。

进一步地，直流电机带动探头在室内模拟海流中以不低于1000r/min的速度旋转。

进一步地，直流电机扭矩和输出功率的计算公式为：

T＝F*D

T＝9550P/N；

其中，F为受力，单位为N，由于旋转套筒为圆筒形结构，模拟海流对旋转套筒整体的力之和为0，由于室内水池实验的探头仅包含信号采集舱体，未安装探头配置及千米级数据传输导线，故旋转圆筒和探头的重量不超过3Kg；D为力臂，单位为m，力臂为旋转套筒的半径；T为扭矩，单位为N·m；P为输出功率，单位为KW；N为转速，单位为r/min。

进一步地，求解电机轴套杆的长度，使其可以在高速旋转的状态下保持稳定的旋转，不发生转动偏角，计算公式为：

其中，P'为直流电机的额定功率；K为键槽系数；A为系数；η为从电机到输出轴之间的传动效率的乘积；N_j为输出轴的计算转速。

本发明具有如下有益效果：

1、在带有电磁屏蔽的直流电机作用下，无磁旋转结构辅助探头进行高速自旋转，从而实现近似海洋测试环境的模拟实验，结构简单，性能稳定。

2、由于配重调节以及整体结构采用圆滑设计，使投弃式海流电场剖面仪探头在高速旋转过程中，水流稳定，对待测流场干扰较小，测试精度高。

3、可通过旋转套筒结构的调整，使其与不同类型的投弃式海流电场剖面仪探头相结合，按照需求通过控制调速器来调节直流电机的转速，实现投弃式海流剖面仪器的模拟实验，操作步骤简单，运行稳定。

4、该装置还可与不同类型的传感器搭载探头相配合，实现屏蔽电磁干扰的模拟测量。

附图说明

图1为本发明中基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置结构示意图；

图2为本发明中传动机构的结构示意图；

图3是本发明中旋转辅助机构的结构示意图；

图4是本发明中旋转辅助机构的剖视图；

1-安装架；101-横臂；102-支撑臂；2-制动机构；201-直流电机；202-电磁屏蔽板；3-传动机构；301-电机轴套杆；302-导电滑环；303-联轴器；4-旋转辅助机构；401-旋转套筒；402-端盖；403-出线孔；404-圆柱槽；405-卡箍；5-探头；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，包括安装架1和设置在安装架1上的动力机构以及旋转辅助机构4；

安装架1包括两个横臂101以及与横臂101垂直连接的四个支撑臂102，四个支撑臂102下端通过连接板连接构成方形框架；

动力机构包括制动结构2和传动机构3，制动机构包括直流电机201、电机调速器和电磁屏蔽板202，电磁屏蔽板202设置在方形框架上，直流电机201和电机调速器固定在电磁屏蔽板202上，电机调速器和直流电机201电连接，电机输出轴向下穿过电磁屏蔽板202，电磁屏蔽板202上设有供电机轴穿过的通孔；传动机构3包括电机轴套杆301、导电滑环302和联轴器303，电机轴套杆301和导电滑环302依次套设在电机输出轴上，联轴器303将电机轴套杆301和旋转辅助结构4同轴连接；

具体地，由于海流信号极其微弱，因此在模拟试验过程中易受到电磁干扰，由于利用直流电机201提供旋转的动力支撑，直流电机201不可避免的会带来相应的电磁干扰，因此在旋转模拟装置中，支撑臂102和电磁屏蔽板202共同组成了电磁干扰屏蔽装置，电磁屏蔽板202上的通孔处采用屏蔽接口设计，一方面，四个支撑臂102由电磁波吸收材料包裹而成，对直流电机201产生的部分电磁干扰进行吸收，另一方面，直流电机201周围罩设有电磁屏蔽网，并且根据趋肤效应计算公式：

其中，Δ表示穿透的深度(m)；ω为角频率，ω＝2Πf(rad/s)；μ为磁导率(H/M)；Y表示电导率(S/m)；

因此，根据趋肤效应以及结合本装置所使用的电磁屏蔽金属结构，确定电磁屏蔽网的厚度为2mm。电磁屏蔽网的设计不仅解决了直流电机201因为长时间的工作而产生的热量问题，同时使电机产生的电磁干扰不进行扩散，将直流电机201产生的电磁干扰忽略不计。该电磁干扰屏蔽装置为在实验室环境中模拟海流等微弱信号奠定了关键的基础。同时，该投弃式海流剖面仪器的探头模拟旋转装置中，将联轴器303和导电滑环302均采用非金属结构，也间接减少了电机产生的电磁干扰的传递。该电磁干扰屏蔽装置为在实验室环境中模拟海流等微弱信号打下了关键的基础。

直流电机输出轴上依次套设有电机轴套杆301和导电滑环302，导电滑环302的定子与电机固定板底部相固定，其转子与电机轴套杆301相固定，定子导线不随电机轴的转动而转动，转子导线穿过端盖402上的出线孔403连接探头5的数据传输线和测试点，在模拟试验中实时观测试验数据以及信号的变化情况；联轴器303将电机轴套杆301和旋转辅助结构4同轴连接；

旋转辅助结构包括旋转套筒401和卡箍405，旋转套筒401顶端设有端盖402，端盖402上设有出线孔403，端盖402外侧设有连接轴，其内侧中心设有圆柱槽404，探头5首部固定在圆柱槽404中，其中部通过卡箍405与旋转套筒401固定，其尾部从旋转套筒401底端伸出；旋转套筒401底部设有半环形结构，半环形结构与卡箍405通过螺丝固定连接，螺丝可以控制卡箍405对探头5固定的松紧程度，实现连接锁紧；卡箍405具有半圆周状的夹紧面，该夹紧面与探头5外周壁相贴合。

具体地，旋转套筒401为避免金属材料对探头5主体产生电磁干扰，采用ABS材料制作而成的平滑的筒状结构，从而使得在水中受到的阻力较小，更加接近在实际海试条件下的环境，其内径为10cm，套筒整体重量为2kg。

具体地，求解电机轴套杆301的长度，使其可以在高速旋转的状态下可以保持稳定的旋转，不发生转动偏角，电机轴套杆长度的计算公式为：

其中，P'为直流电机的额定功率；K为键槽系数；A为系数；η为从电机到输出轴之间的传动效率的乘积；N_j为输出轴的计算转速。本实施例中，结合整个装置结构，选取电机轴套杆长度为8cm，若最终选取得电机轴套杆的长度大于该数值，将会导致探头的旋转角度会发生较大的偏移，对实验室搭建的的流场环境进行干扰，影响探头传感器得采集工作，引入噪声。若最终选取的套杆长度小于该数值，可能会使得探头转速达不到探头正常采集的频率，从而使得采集到的信号由于探头传感器电路有一定的衰减，导致结果与真实的数据存在偏差。

具体地，由于旋转套筒为非金属材料，为保证两部分能够良好的连接并避免转动偏角，选择刚性联轴器作为动力传输部件，能够较好的补偿由于高速运转而产生的相对位移。

具体地，直流电机201带动探头5在室内模拟海流中以不低于1000r/min的速度旋转，将整个旋转套筒及探头的质点选在1/2半径位置的圆柱面上，根据转速和离心力的关系，选择合适的转速，保证旋转套筒及探头5在高速旋转时不会发生偏移；

当转速为1000r/min时，求得的相对离心力大小约为274N，离心力计算公式为：

RCF＝1.118×10^-5×N²×R；

其中，RCF表示相对离心力，单位为g；N表示转速，单位为r/min；R为离心半径，单位为cm。

具体地，由于旋转套筒为圆筒形结构，模拟海流对圆筒整体的力之和为0，此设计也可保证旋转套筒在高速旋转时不易发生偏斜，故直流电机201仅受到本身的重力、电磁屏蔽板的支撑力、旋转圆筒、探头、导电滑环以及联轴器的重力；由于室内水池实验的探头5仅包含信号采集舱体(传感器和电路板)，未安装探头配置及千米级数据传输导线，故旋转圆筒和探头的重量不超过3Kg；

直流电机扭矩和输出功率的计算公式为：

T＝F*D

T＝9550P/N；

其中，F为受力，单位为N；D为力臂，单位为m，力臂为旋转套筒的半径；T为扭矩，单位为N·m；P为输出功率，单位KW；N为转速，单位为r/min。

具体地，在应用时，首先将探头放入探筒中，利用卡箍405将其固定在探筒中，保证探头在旋转过程中不发生脱落；其次，将电磁屏蔽板202安装在安装架1上并将直流电机201进行安装固定，电机输出轴朝下穿过电磁屏蔽板202，电机固定完成之后，将电机轴套杆301安装到电机输出轴上，并利用螺丝将其固定；然后，将导电滑环302套在电机轴套杆301上，并用两个长螺丝将其固定在电磁屏蔽板202上，使其发挥作用。同时利用联轴器303将电机轴套杆301和探筒进行同轴连接。最后将直流电机201的电源线以及电机的调速控制器进行组装，组装完成后便可以将安装架1放置于水槽或者指定位置，给直流电机201上电，随着电机的转动便可以带动旋转套筒401和探头5同轴旋转，并逐渐利用电机调速器调节电机的转速，直到调整到合适的转速时，便可以进行探头5的模拟实验，进行数据的采集以及分析。

具体地，根据电磁感生原理可知，当流动的海水切割地磁线时，会在海水中产生感应电动势和感应电流。在稳定的地磁场中，海水流速越大，产生的感应电动势就越大。通过测量该感应电动势可以推算出海流的大小。

投弃式海流电场剖面仪对海流的测量正是基于上述原理，通过将海流传感器置于一个流线型的测量探头内，探头在海水中自由下落的过程中，传感器采集到海流切割地磁场产生的感生信号，并通过探头本身的旋转实现信号的调制，便于数据从测量探头到测量平台的传输。

由于投弃式海流电场剖面仪在实际进行海试测量时，在下降过程中会发生自旋转(16r/s)，从而实现将海流电场信号进行调制并频移到海流电场信号的超低噪声频段，解决了在高噪声背景下快速测量纳伏微弱海流信号。因此，在进行投弃式海流电场剖面仪的实验室模拟实验时，模拟投弃式海流电场剖面仪探头在海水中高速自转便显得尤为重要。并且由于在实验室环境下周围存在较大的工频信号干扰，对微弱海流信号的旋转采集产生噪声干扰，因此，基于以上投弃式海流电场剖面仪探头的旋转采集条件和电磁干扰，该设计的旋转模拟装置一方面可以使得探头在电机的带动下以接近于海试环境的自转速度进行高速、稳定旋转，实现海水中感生电场的测量。另一方面，该装置设有有电磁屏蔽干扰结构，可以屏蔽周围产生的50HZ工频干扰，实现微弱海流信号准确采集。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，包括安装架和设置在安装架上的动力机构以及旋转辅助机构；

所述动力机构包括制动结构和传动机构，所述制动机构包括直流电机、电机调速器和电磁屏蔽板，所述直流电机和电机调速器固定在电磁屏蔽板上，电机调速器和直流电机电连接，电机输出轴向下穿过电磁屏蔽板；所述传动机构包括电机轴套杆、导电滑环和联轴器，所述电机轴套杆和导电滑环依次套设在电机输出轴上，所述联轴器将电机轴套杆和旋转辅助结构同轴连接；

所述旋转辅助结构包括旋转套筒和卡箍，所述旋转套筒顶端设有端盖，所述端盖外侧设有连接轴，其内侧中心设有圆柱槽，所述探头首部固定在圆柱槽中，其中部通过卡箍与旋转套筒固定，其尾部从旋转套筒底端伸出。

2.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述安装架包括两个横臂以及与横臂垂直连接的四个支撑臂，支撑臂表面包裹有电磁波吸收材料；

所述四个支撑臂下端通过连接板连接构成方形框架，所述电磁屏蔽板设置在方形框架上，所述电磁屏蔽板上开设有供电机输出轴穿过的通孔，通孔处采用屏蔽接口设计。

3.根据权利要求2所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述导电滑环的定子与电机屏蔽板底部相固定，其转子与电机轴套杆相固定，转子导线连接探头的数据传输线以及测试点。

4.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述直流电机周围罩设有电磁屏蔽金属网，所述电磁屏蔽网的厚度为2mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述导电滑环和联轴器均采用非金属结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述旋转套筒底部设有半环形结构，半环形结构与卡箍通过螺丝固定连接，所述卡箍具有半圆周状的夹紧面，该夹紧面与探头外周壁相贴合。

7.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述旋转套筒采用ABS材料制作而成，其内径为10cm，套筒整体重量为2kg。

8.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述直流电机带动探头在室内模拟海流中以不低于1000r/min的速度旋转。

9.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，所述直流电机扭矩和输出功率的计算公式为：

T＝F*D

T＝9550P/N

其中，F为受力，单位为N，由于旋转套筒为圆筒形结构，模拟海流对旋转套筒整体的力之和为0，由于室内水池实验的探头仅包含信号采集舱体，未安装探头配置及千米级数据传输导线，故旋转圆筒和探头的重量不超过3Kg；D为力臂，单位为m，力臂为旋转套筒的半径；T为扭矩，单位为N·m；P为输出功率，单位为KW；N为转速，单位为r/min。

10.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流电场剖面仪探头的水中旋转模拟装置，其特征在于，求解电机轴套杆的长度，使其可以在高速旋转的状态下保持稳定的旋转，不发生转动偏角，计算公式为：

其中，P'为直流电机的额定功率；K为键槽系数；A为系数；η为从电机到输出轴之间的传动效率的乘积；N_j为输出轴的计算转速。

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