CN115096270A - 一种高敏感度耐用型湍流探测器及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及湍流探测技术领域，特别涉及一种高敏感度耐用型湍流探测器及设备，安装座、纤毛式湍流传感器芯片和导流罩，导流罩与安装座相连接，导流罩上设有孔洞，纤毛结构位于孔洞内。与现有技术相比，本发明通过设置一带有孔洞的导流罩和安装座上固定的纤毛式湍流传感器芯片并使得纤毛结构位于孔洞内并且端部延伸至孔洞之外，使得纤毛结构既能处于真实的水流环境中与水流接触，凭借其高灵敏度进行湍流探测；又能够提供一定的保护结构，减轻高压、高冲击等对于探测的干扰以及对于纤毛结构的破坏，在极大提高传感器芯片可靠性的同时，最大减少水下环境带来的干扰，保证纤毛的灵敏度及准确度。

Description

一种高敏感度耐用型湍流探测器及设备

技术领域

本发明涉及湍流探测技术领域，特别涉及一种高敏感度耐用型湍流探测器及设备。

背景技术

自然界的水流流动主要有层流、湍流。水流的流动对地球的能量转化至关重要，开发高精度的研究仪器对水下湍流规律的探索以及对我国科技的进步、国防事业的发展有着至关重要的作用。目前水下湍流传感器主要有翼型剪切流探头、光纤结构探头和硅十字梁结构探头。翼型剪切流探头和光纤结构探头普遍存在信息量单一、不具有矢量性、空间分辨率低的问题；硅十字梁结构探头虽具有矢量性，采集的数据丰富且分辨率高，但是由于其采用纤毛感知水流，在测量过程中极易损坏。

现有技术中，例如公告号为CN110068310B9(公布日期为2019年7月30日)的中国发明专利公开了一种高可靠性海洋湍流传感装置，包括硅十字梁敏感芯片、橡胶帽、导流罩和支壳体；硅十字梁敏感芯片固定在支撑壳体上，橡胶帽罩扣在硅十字梁敏感芯片外并与支撑壳体固定，导流罩扣在橡胶帽外并与支撑壳体固定，橡胶帽的顶端向上延设有贯穿导流罩并伸至导流罩外部的橡胶探头，支撑壳体上设有若干个透水孔。该发明的橡胶帽能减少传感器(硅十字梁敏感芯片)在复杂海况中的受损几率，橡胶探头能够捕捉湍流信号将信号传递给硅十字梁敏感芯片上的敏感受力结构(纤毛及硅十字梁)。导流罩能够很好地保护橡胶帽，从而隔绝水流对橡胶帽的干扰信号；而从导流罩顶端穿出的橡胶探头能够保证橡胶探头就是主要的信号来源。导流罩与橡胶帽之间的空隙以及橡胶帽和导流罩之间的透水孔，能够让水充满导流罩与橡胶帽之间的空隙，从而保证橡胶帽内部在深海探测时是内外压力平衡的，而且导流罩与橡胶帽之间的空隙不会被泥沙堵塞。可见，现有技术中虽然通过设置橡胶帽将纤毛及硅十字梁保护起来，避免其遭受损坏。但同时也由于橡胶帽的隔绝，使得传感器芯片的纤毛无法直接探测水流信号，其探测所得信号经过橡胶帽的中间传递不可避免的将会失真，装置抑制了纤毛传感器芯片的高敏感性的发挥，对于湍流探测的真实数据采集产生不利影响。

综上，现有技术中的湍流探测器存在的芯片容易损坏及探测信号灵敏度较低的问题需要进行解决。对此，本发明的目的在于提供一种具有高敏感度且耐用性良好的湍流探测器。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种高敏感度耐用型湍流探测器，包括：

安装座，所述安装座的一端设有一印刷电路板；

纤毛式湍流传感器芯片，所述纤毛式湍流传感器芯片包括一具有相对的第一表面和第二表面的芯片本体和设于所述第一表面上并向背离所述第二表面方向延伸的纤毛结构，所述纤毛结构与所述芯片本体刚性连接，所述芯片本体固定设置于所述印刷电路板上并与所述印刷电路板电性连接；以及

导流罩，所述导流罩罩设于所述安装座上，所述印刷电路板位于所述导流罩之下，所述导流罩上设有孔洞，所述纤毛结构穿过所述孔洞，所述纤毛结构远离所述芯片本体的端部露出于所述孔洞外。

在一些实施例中，所述纤毛结构露出于所述孔洞外的长度L₁为所述纤毛结构总长度L的5-20％。

在一些实施例中，所述安装座包括中间管壳和底部连接件，所述印刷电路板位于所述中间管壳的一端，所述印刷电路板与所述中间管壳可拆卸连接，所述底部连接件连接于所述中间管壳的另一端。

在一些实施例中，所述中间管壳中穿设有若干导线，所述底部连接件的底部设置有水密接插件，所述导线的一端与所述印刷电路板电性连接、另一端与设于所述底部连接件上的水密接插件电性连接。

在一些实施例中，所述中间管壳的内部设有实体填充物。

在一些实施例中，所述纤毛结构的总长度L介于5-8mm之间、8-9mm之间或者9-12mm之间。

在一些实施例中，所述孔洞顶端到所述纤毛结构的底端的距离H介于3-7mm之间、6-8mm之间或者7-11mm之间。

在一些实施例中，所述孔洞的直径为D，其中D与H满足5π/180≤arctan≤15π/180。

在一些实施例中，所述导流罩的形状呈流线型结构。

本发明还提供一种探测设备，包括如上任一所述的高敏感度耐用型湍流探测器。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的一种高敏感度耐用型湍流探测器，通过设置一带有孔洞的导流罩和安装座上固定的纤毛式湍流传感器芯片并使得纤毛结构位于孔洞内并且端部延伸至孔洞之外，使得纤毛结构既能处于真实的水流环境中与水流接触，凭借其高灵敏度进行湍流探测；又能够提供一定的保护结构，减轻高压、高冲击等对于探测的干扰以及对于纤毛结构的破坏，在极大提高传感器芯片可靠性的同时，最大减少水下环境带来的干扰，保证纤毛的灵敏度以及准确度。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为为本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器的结构主视示意图；

图2为本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器的结构截面示意图；

图3为本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器的外部立体结构示意图；

图4为图2中A区域局部放大图；

图5为采用本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器得到的打压试验压力曲线图；

图6为采用本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器得到的高频冲击实验日志报告；

图7为采用本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器得到的冲击实验最大加速度控制曲线；

图8为采用本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器得到的冲击实验实时加速度记录曲线；

图9为采用本发明实施例提供的高敏感度耐用型湍流探测器得到的湍流测试结果示意图。

附图标记：

1导流罩 11孔洞 2安装座

21印刷电路板 22中间管壳 23底部连接件

4纤毛式湍流传感器芯 41芯片本体 42纤毛结构

片

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“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组件必须具有特定的方位、或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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

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，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接；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，可以是两个组件内部的连通。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。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

如图1-图3所示，图1为本发明提供的一种高敏感度耐用型湍流探测器结构主视示意图；图2为本发明实施例截面示意图；图3为本发明实施例外部立体结构示意图。为达优点至少其中之一或其他优点，本发明提供一种高敏感度耐用型湍流探测器，包括导流罩1、安装座2和纤毛式湍流传感器芯片4。

其中，安装座2呈筒状结构，安装座2的一端设有一印刷电路板21；安装座2的一端设置有例如卡槽等固定结构用以固定印刷电路板21。

纤毛式湍流传感器芯片4包括一具有相对的第一表面和第二表面的芯片本体41和设于所述第一表面上并向背离所述第二表面方向延伸的纤毛结构42，本实施例中第一表面朝向上方，第二表面朝向下方，但本发明不以此为限，所述纤毛结构42与所述芯片本体41刚性连接，所述芯片本体41固定设置于所述印刷电路板21上并与所述印刷电路板21电性连接，其中纤毛式湍流传感器芯片4采用现有技术常用湍流检测用的敏感纤毛芯片结构，例如芯片本体41具有十字梁结构，纤毛结构42为具有一定刚性的柱状体。

导流罩1罩设于所述安装座2上，所述印刷电路板21位于所述导流罩1之下，也即导流罩1安装于安装座2之上并覆盖了印刷电路板21以形成保护。其中，导流罩1上设有孔洞11，导流罩1安装于安装座上时，孔洞11的底端对应于芯片本体41，也即芯片本体41处于导流罩1的孔洞11的底端，所述纤毛结构42自芯片本体41的上表面也即第一表面向上延伸穿过所述孔洞11，较佳地，所述纤毛结构42远离所述芯片本体41的端部也即顶端露出于所述孔洞11之外。较佳地，在一些实施例中，所述导流罩1的形状呈流线型结构，使得导流罩1不会对纤毛式湍流传感器芯片4尤其是纤毛结构42的顶端周围流场造成破坏，否则会因为探测器在运动中其本身结构对周围流场造成破坏而导致湍流探测结果不准确。

优选地，在一实施例中，如图4所示，所述纤毛结构42露出于所述孔洞11外的长度L₁为所述纤毛结构42总长度L的5-20％，以避免纤毛结构42露出的长度过长导致纤毛结构42形成较长的悬臂结构而容易过载受损。

在一实施例中，所述安装座2包括中间管壳22和底部连接件23，所述印刷电路板21位于所述中间管壳22的一端，所述印刷电路板21与所述中间管壳22可拆卸连接，所述底部连接件23连接于所述中间管壳22的另一端。所述中间管壳22中穿设有若干导线(图未示)，所述导线的一端与所述印刷电路板21电性连接，通过印刷电路板21与纤毛式湍流传感器芯片4电性连接；另一端与设于所述底部连接件23上的水密接插件(图未示)电性连接，其中水密接插件采用现有技术中水下设备常用水密产品，具有极强的密封能力，并采用统一的接触尺寸和设计，本发明对此不做特殊限定。通过水密接插件的设置使得本发明可插接至探测设备整机上使用，纤毛式湍流传感器芯片4采集到的信号可通过导线传输至处理模块中进行分析处理。

优选地，所述中间管壳22的内部设有实体填充物，实体填充物例如采用灌胶凝固形成，完成线路布置之后通过在中间管壳22中灌装密封胶，一方面可形成密封保护，另一方面印刷电路板21的下表面与中间管壳22和密封胶形成了实心结构，使得探测器的抗压、抗冲击能力得到大幅度的提升。

对本发明一实施例所述的高敏感度耐用型湍流探测器进行梯度阶段打压实验结果见图5，打压试验后对探测器进行高频冲击实验，高频冲击实验日志报告见图6，图7为最大加速度控制曲线，图8为实时加速度记录曲线。在完成上述测试后进行水流冲击测试，将探测器顶端置于水中，使用造浪机制造水流并冲击探测器。使用流速仪测水池表面的水流速，通过调整造浪机功率的大小，使探测器前面的水流速稳定在0.5m/s左右，采集探测器的输出信号。图9为传感器在0.5m/s横向水流速下30mi n的测试结果，从图中可看出传感器的输出稳定，未出现异常。此外，肉眼检查传感器的结构和性能均未发生改变，可满足连续多次的海洋湍流测试。

优选地，在一实施例中，如图4所示所述纤毛结构42的总长度L介于5-8mm之间、8-9mm之间或者9-12mm之间，本实施例中纤毛结构42的长度例如为9mm。所述孔洞11顶端到所述纤毛结构42的底端的距离H介于3-7mm之间、6-8mm之间或者7-11mm之间，纤毛结构42露出于所述孔洞11外的长度L₁介于1-2mm之间，本实施例中例如H为8mm。所述孔洞11的直径为D，其中D与H满足5π/180≤arctan(D/2H)≤15π/180，也即D与H的取值应当使得纤毛结构42的最大偏转角度α介于5度-15度之间，进而避免纤毛结构42过载损坏，例如本实施例中D为2mm，可知本实施例中纤毛结构42的最大偏转角度α为7.1度，避免了纤毛结构42活动偏转角度过大而受损。

本发明提供的高敏感度耐用型湍流探测器组装制作方法包括如下步骤：

S1、将纤毛式湍流传感器芯片4固定到印刷电路板21上，引线后固定于在中间管壳22上，点胶固定；

S2、将底部连接件23与中间管壳22连接在一起；

S3、将底部连接件23朝上放置向中间管壳22中灌封密封胶；

S4、密封胶凝固后，将导流罩1与中间管壳22连接在一起；

S5、设置可兼容水密接插件于底部连接件23上做末端水密。

本发明还提供一种探测设备，包括如上任一所述的高敏感度耐用型湍流探测器。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种高敏感度耐用型湍流探测器，通过设置一带有孔洞的导流罩和安装座上固定的纤毛式湍流传感器芯片并使得纤毛结构位于孔洞内并且端部延伸至孔洞之外，使得纤毛结构既能处于真实的水流环境中与水流接触，发挥其敏感性能进行湍流探测；又提供一定的保护结构，减轻高压、高冲击等对于探测的干扰以及对于纤毛结构的轻易破坏，在极大提高传感器芯片可靠性的同时，最低的减少了水下环境带来的干扰，保证纤毛的敏感度以及准确度。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如导流罩、安装座和纤毛式湍流传感器芯片等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

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)

1.一种高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于，包括：

安装座(2)，所述安装座(2)的一端设有一印刷电路板(21)；

纤毛式湍流传感器芯片(4)，所述纤毛式湍流传感器芯片(4)包括一具有相对的第一表面和第二表面的芯片本体(41)和设于所述第一表面上并向背离所述第二表面方向延伸的纤毛结构(42)，所述纤毛结构(42)与所述芯片本体(41)刚性连接，所述芯片本体(41)固定设置于所述印刷电路板(21)上并与所述印刷电路板(21)电性连接；以及

导流罩(1)，所述导流罩(1)罩设于所述安装座(2)上，所述印刷电路板(21)位于所述导流罩(1)之下，所述导流罩(1)上设有孔洞(11)，所述纤毛结构(42)穿过所述孔洞(11)，所述纤毛结构(42)远离所述芯片本体(41)的端部露出于所述孔洞(11)外。

2.根据权利要求1所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述纤毛结构(42)露出于所述孔洞(11)外的长度L₁为所述纤毛结构(42)总长度L的5-20％。

3.根据权利要求1所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述安装座(2)包括中间管壳(22)和底部连接件(23)，所述印刷电路板(21)位于所述中间管壳(22)的一端，所述印刷电路板(21)与所述中间管壳(22)可拆卸连接，所述底部连接件(23)连接于所述中间管壳(22)的另一端。

4.根据权利要求3所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述中间管壳(22)中穿设有若干导线，所述底部连接件(23)的底部设置有水密接插件，所述导线的一端与所述印刷电路板(21)电性连接、另一端与设于所述底部连接件(23)上的水密接插件电性连接。

5.根据权利要求3所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述中间管壳(22)的内部设有实体填充物。

6.根据权利要求1所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述纤毛结构(41)的总长度L介于5-8mm之间、8-9mm之间或者9-12mm之间。

7.根据权利要求6所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述孔洞(11)顶端到所述纤毛结构(41)的底端的距离H介于3-7mm之间、6-8mm之间或者7-11mm之间。

8.根据权利要求7所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述孔洞(11)的直径为D，其中D与H满足5π/180≤arctan(D/2H)≤15π/180。

9.根据权利要求1所述的高敏感度耐用型湍流探测器，其特征在于：所述导流罩(1)的形状呈流线型结构。

10.一种探测设备，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的高敏感度耐用型湍流探测器。

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