CN115541926B - 一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计，其包括密封壳体、摩擦发电模块、传动模块、旋杯和变间距模块。其中，变间距模块连接在密封壳体一端的外侧；摩擦发电模块设置在密封壳体内；旋杯设置在变间距模块的外侧；传动模块包括第一传动轴、第二传动轴以及分别连接第一传动轴和第二传动轴的磁联轴器，第一传动轴的一端和磁联轴器的内磁体连接且共同设置在密封壳体内，第一传动轴的另一端与摩擦发电模块连接；磁联轴器的外磁体设置在变间距模块内，第二传动轴的一端在变间距模块内与外磁体连接，第二传动轴的另一端穿设变间距模块并与旋杯连接于变间距模块的外侧；变间距模块用于调整内磁体和外磁体之间的传动间隙实现对灵敏度的调整，进而实现对测速区间的调整。

Description

一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计
技术领域
本发明涉及流速检测仪器技术领域，特别涉及一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计。
背景技术
海流是基础的海洋资料，海洋流场的实时监测和测量是海洋科学考察的重要内容。海流计作为水体测量的主要仪器，主要包含机械式海流计、电磁海流计、声学海流计以及其他海流计四个大类。其中，声学海流计是目前世界上测量多层海流剖面和河道流量的最有效仪器，具有测流范围广、测量用时短、测量精度高等优点，但是，由于其信号来源是利用声学多普勒原理测量分层水介质散射信号的频移信息，因此其在水介质密度较低的深海场景下测量精度会受到明显影响；电磁海流计利用法拉第感应定律，通过测量海水流过磁场时所产生的感应电动势来测量海流，具有探测海域广、测量深度大、运行周期短、探头体积小等优点，但流速测量的精度受地磁、船磁分布的影响较大；机械式海流计利用水流推动转子的转速来测量流速，随着测流方式的不断发展，机械式海流计不再是主流的测流仪器，但结构简单、成本低、使用方便和稳定可靠等优点使其至今仍占有较大的应用市场，例如我国自主研制的SLC9-2型直读式海流计，最大探测深度为200 m，流速的测量范围为0.03～3.50 m/s，代表目前国内机械式海流计研制的最高水平。
机械式海流计以转子式为主，有旋桨式（水平轴）和旋杯式（垂直轴），水下探测器部分主要结构包括转子、旋转部件、支座、尾翼部件、干簧管部件等，另外，海流计还包括连接电缆和数据终端等设备。机械式海流计工作原理基本相同，均是利用水流动力推动转子旋转，通过外部电源为海流计主动供能，使讯号触点与干簧管部件由于转动而发生接触（或远离），电路相应导通（或断开）而产生脉冲信号，根据脉冲信号频率推求流速，流速通过显示器显示。为保障核心部件在水下的防水、防沙、防腐蚀性能，在海流计的转轴系统中设置复杂曲折的迷宫结构，内部填充轻机油。
旋杯式相较于旋桨式具有体积小、无需对准来流方向等优势，但是现有旋杯式海流计测速区间较小，约为0.02-3.5 m/s。这主要是由于传讯机构的接触部分包括偏心轴、齿轮、接触销、接触丝等精密部件，其中齿轮与转子部分的旋轴接触，并一起旋转，为保证旋转的灵敏度，导致精密零件及上下轴强度较低，无法在高流速冲击下正常工作，因此最大测速不能超过3.5m/s。同时，现有机械式海流计均需要外部电源主动供电才能产生脉冲信号，在一定程度上会造成电源的损耗，此外，耐压能力也是限制机械式海流计在更深水域工作的重要原因。
发明内容
本发明的目的在于解决现有机械式海流计技术中海流计测速区间较小、需要主动供能以及耐压能力弱的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计，其包括：密封壳体；摩擦发电模块，其设置在所述密封壳体内；传动模块，其包括第一传动轴、第二传动轴以及分别连接所述第一传动轴和所述第二传动轴的磁联轴器，所述第一传动轴的一端和所述磁联轴器的内磁体连接且共同设置在所述密封壳体内，所述第一传动轴的另一端与所述摩擦发电模块连接；旋杯，其与所述第二传动轴同轴连接；变间距模块，其连接在所述密封壳体长度方向的外侧，所述磁联轴器的外磁体设置在所述变间距模块内，所述第二传动轴的一端在所述变间距模块内与外磁体连接，所述第二传动轴的另一端穿设所述变间距模块并与所述旋杯连接于所述变间距模块的外侧；所述变间距模块用于调整所述内磁体和所述外磁体之间的传动间隙进而实现对测速区间的调整。
可选地，所述变间距模块包括与所述密封壳体同轴设置的固定块和滑动块，所述固定块设置在所述密封壳体一侧，所述滑动块与所述固定块通过滑槽配合实现所述变间距模块对所述内磁体和所述外磁体之间传动间隙的调整。
可选地，所述固定块的外表面沿其轴向依次布置有至少两个沿其径向延伸的第一滑槽以及自所述第一滑槽的一端沿所述固定块的外表面轴向延伸形成的第二滑槽，所述滑动块设置有与所述第一滑槽以及所述第二滑块配合的凸起。
可选地，所述滑动块朝向所述固定块的内表面沿其轴向依次布置有至少两个沿其径向延伸的第一滑槽以及自所述第一滑槽的一端沿所述滑动块的内表面轴向延伸形成的第二滑槽，所述固定块设置有与所述第一滑槽以及第二滑槽配合的凸起。
可选地，所述第一滑槽在所述固定块上的轴向截面为半圆形，所述第二滑槽在所述固定块上的径向截面为半圆形。
可选地，所述凸起为半球形结构。
可选地，所述第一滑槽为等间距设置的三个。
可选地，所述摩擦发电模块包括发电单元和导电单元，所述发电单元包括与所述密封壳体同轴的转子、设置在所述转子外周面的正摩擦材料、设置在所述密封壳体内壁并与所述正摩擦材料表面接触的负摩擦材料，以及设置在所述密封壳体与所述负摩擦材料之间的导电单元，所述第一传动轴与所述转子连接。
可选地，所述导电单元为多个片状电极，多个片状电极形成电极阵列并沿所述密封壳体内壁等距排列。
可选地，所述第一传动轴通过第一轴承连接所述密封壳体，所述第二传动轴通过第二轴承连接所述变间距模块。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
本发明提供一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计，其包括密封壳体、摩擦发电模块、传动模块、旋杯和变间距模块。其中，变间距模块连接在密封壳体一端的外侧；摩擦发电模块设置在密封壳体内；旋杯设置在变间距模块的外侧；传动模块包括第一传动轴、第二传动轴以及分别连接第一传动轴和第二传动轴的磁联轴器，第一传动轴的一端和磁联轴器的内磁体连接且共同设置在密封壳体内，第一传动轴的另一端与摩擦发电模块连接；磁联轴器的外磁体设置在变间距模块内，第二传动轴的一端在变间距模块内与外磁体连接，第二传动轴的另一端穿设变间距模块并与旋杯连接于变间距模块的外侧；变间距模块用于调整内磁体和外磁体之间的传动间隙进而实现对测速区间的调整。
附图说明
图1是本申请提供的自供电海流计的一实施例的剖面结构示意图。
图2是图1提供的实施例中的摩擦发电模块的结构示意图。
图3是图1提供的实施例中的摩擦发电模块的摩擦电荷分布示意图。
图4是图1提供的实施例中变间距模块的凸起分别与三个位置的第一滑槽配合所对应的三个状态的结构示意图。
图5是图1提供的实施例中变间距模块的固定块的结构示意图。
图6是本申请提供的自供电海流计的旋杯的结构示意图。
图7是本申请提供的自供电海流计中的摩擦发电模块在三种流速下的输出信号曲线。
附图标记说明如下：
10、密封壳体；20、摩擦发电模块；21、转子；22、正摩擦材料；23、负摩擦材料；24、片状电极；30、传动模块；31、第一传动轴；32、内磁体；33、外磁体；34、第二传动轴；35、第一轴承；36、第二轴承；37、变间距结构；40、旋杯；50、变间距模块；51、固定块；52、滑动块；53、第一滑槽；54、第二滑槽；55、凸起。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。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所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
请参阅图1至图6，本申请提供了一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计，该海流计具有大测速区间，其包括密封壳体10、摩擦发电模块20、传动模块30、旋杯40和变间距模块50。其中，变间距模块50连接在密封壳体10一端的外侧，摩擦发电模块20设置在密封壳体10内，旋杯40设置在变间距模块50的外侧，传动模块30分别连接摩擦发电模块20与旋杯40。
密封壳体10为可完全静密封的壳体，其内部开设有圆柱形空腔，密封壳体10采用绝缘材料制成。
请参阅图2，摩擦发电模块20容置于密封壳体10内部的圆柱形空腔内，其包括发电单元和导电单元。发电单元包括与密封壳体10同轴设置的圆柱形的转子21、设置在转子21外周面的正摩擦材料22、设置在密封壳体10内壁并与正摩擦材料22表面接触的负摩擦材料23、以及设置在密封壳体10与负摩擦材料23之间的导电单元。
具体地，转子21采用绝缘材料制成；正摩擦材料22粘贴在转子21的外周面，正摩擦材料22为动物皮毛、薄膜材料、金属材料等；负摩擦材料23设置在密封壳体10的圆柱形空腔的内壁，并与正摩擦材料22表面接触，负摩擦材料23为高分子聚合物，例如氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜等。转子21绕其中心轴相对圆柱形空腔转动，进而使得表面相互接触的正摩擦材料22和负摩擦材料23两者相互滑动发生摩擦产生摩擦电荷。可以理解地是，正摩擦材料22和负摩擦材料23只是针对二者材料相对电负性的大小而言，电负性相对较大者为负摩擦材料23，电负性相对较小者为正摩擦材料22，因此，只需要满足正摩擦材料22的电负性小于负摩擦材料23的电负性即可，由于摩擦电序列不同，二者接触时正摩擦材料22呈正电性，负摩擦材料23呈负电性。导电单元设置在密封壳体10和负摩擦材料23之间，导电单元为长方形或方形的柔性的片状电极24，至少两个片状电极24形成电极阵列并沿圆柱形空腔的内壁等距排列粘贴在密封壳体10与负摩擦材料23之间。正摩擦材料22和负摩擦材料23相互摩擦，在导电单元中形成电势差，并在外部电路中产生相应的电信号，通过电信号的分析校正，确定电压信号频率与流速的函数关系，即可测算流速大小。
请参阅图1，传动模块30包括第一传动轴31、第二传动轴34以及分别连接第一传动轴31和第二传动轴34的磁联轴器。具体地，转子21、第一传动轴31与第二传动轴34同轴设置，第一传动轴31和磁联轴器的内磁体32设置在密封壳体10内，密封壳体10内的圆柱形空腔设置有第一轴承35，第一传动轴31固定在第一轴承35的内孔上并与转子21连接；第二传动轴34和磁联轴器的外磁体33设置在密封壳体10外。内磁体32与第一传动轴31的连接以及外磁体33与第二传动轴34的连接均为刚性连接，磁联轴器的内磁体32和外磁体33形成非接触式传动，使得密封壳体10的密封效果不受传动结构的影响；且通过非接触式传动的方式，可以使核心部件完全密封，能承受比传统密封方式更大的压力，可在更深水域工作，提升了海流计的应用环境范围。
变间距模块50，其连接在密封壳体10长度方向的外侧，包括与密封壳体10同轴设置的固定块51和滑动块52，固定块51安装在密封壳体10的一侧，滑动块52与固定块51通过滑槽配合形成一个空腔，磁联轴器的内磁体32设置在该空腔内，空腔内设置有第二轴承36，第二轴承36的内孔固定有第二传动轴34，第二传动轴34的一端与内磁体32连接，第二传动轴34的另一端穿设滑动块52并连接旋杯40于滑动块52相对于空腔的外侧。滑动块52与固定块51通过滑槽配合的变间距结构37实现变间距模块50对内磁体32和外磁体33之间的传动间隙的调整。
请参阅图4和图5具体地，固定块51和滑动块52均为回转体结构；固定块51的外表面沿轴向依次布置有三个沿其径向延伸的第一滑槽53，第一滑槽53等间距设置，且第一滑槽53的轴截面为半圆形，自第一滑槽53的一端沿固定块51的外表面轴向延伸形成有第二滑槽54，也即，三个第一滑槽53同向的一端共同续接一个沿固定块51外表面轴向设置的第二滑槽54，滑动块52的内径略大于固定块51相应部分的外径，滑动块52的内壁设置有半球形的凸起55，凸起55与第一滑槽53以及第二滑槽54配合。需要调整传动间距时，凸起55沿第二滑槽54作轴向移动再径向移动至所需的第一滑槽53内，并被第一滑槽53固定。三个第一滑槽53对应三种不同的传动间距，即对应三种不同的灵敏度。如图4所示，当凸起55被远离密封壳体10的第一滑槽53固定时处于状态3，此时内磁体32和外磁体33的间距最大，灵敏度最高，能完成小流速区间的测量；当凸起55被靠近密封壳体10的第一滑槽53固定是处于状态1，此时内磁体32和外磁体33的间距最小，稳定性最强，能在大流速的冲击下正常工作，完成大流速区间的信号输出。变间距模块50可根据流速的大致区间调整传动距离，即调整磁联轴器的内磁体32和外磁体33之间的间隙，保证流速测量过程中低流速时的灵敏性和高流速时的稳定性，进而扩大垂直轴海流计的测速范围。
在其他的一些实施例中，还可以在滑动块52朝向固定块51的内表面沿其轴向依次布置有三个沿其径向延伸的第一滑槽53以及自第一滑槽53的一端沿滑动块52的内表面轴向延伸形成第二滑槽54，固定块51上设置有与第一滑槽53以及第二滑槽54配合的凸起55，也可以实现通过三个第一滑槽53配合调整磁联轴器的内磁体32和外磁体33之间的传动距离。
请参阅图6，旋杯40为六杯式旋杯40，旋杯40受水流冲击产生旋转运动，带动与其同轴安装的传动模块30转动，传动模块30的转子21转动后摩擦发电模块20开始工作产生电信号。
在本申请中，变间距模块50和旋杯40均采用3D打印制作。
本申请的自供电海流计的工作原理如下：在水流的环境中，旋杯40受到水流冲击发生转动，带动第二传动轴34和磁联轴器的外磁体33共同转动，由于磁场的作用，磁联轴器的外磁体33带动内磁体32共同转动，以达到非接触式传动的效果；在密封壳体10的内部，与内磁体32连接的第一传动轴31将转动传递给转子21，转子21开始转动的同时摩擦发电模块20开始工作，摩擦发电模块20中的正摩擦材料22和负摩擦材料23通过相互转动在二者表面发生滑动摩擦进而产生摩擦电荷，电荷分布示意图如图3所示。由于摩擦电序列不同，二者接触时正摩擦材料22呈正电性，负摩擦材料23呈负电性，与负摩擦材料23接触的导电单元表面失去电子而呈现正电性，带正电的正摩擦材料22的旋转运动会导致电子经外电路从一个片状电极24（图3中表示为1）流向另一片状电极24（图3中表示为1’），直至两电极间达到电荷平衡，在这个过程中即可在片状电极24（图3中表示为1）和片状电极24（图3中表示为1’）间的外电路中检测到电信号，旋杯40在水流中转速与电压信号产生的频率为正比关系，利用摩擦发电模块20产生的电压信号与流速之间的对应关系即可测量出实际的流速大小。图7为本申请提供的自供电海流计在三种不同流速下产生的电压信号，在不同流速下对应不同的电压信号频率，通过确定电压信号频率和水流的函数关系，即可实时获得流速信息。通过变间距模块50调整磁联轴器内磁体32与外磁体33之间的耦合强度，如图3所示，在较低流速条件下，变间距模块50处于状态3，该状态下内磁体32和外磁体33耦合程度低，易于启动，可以保证低流速时具备较高的灵敏度；在高流速条件下，变间距模块50处于状态1，此时内磁体32和外磁体33耦合强度更高，稳定性更强，可以产生更稳定的电信号。通过调整内磁体32和外磁体33的传动间隙，可具备三种不同的灵敏度，对应小、中、大区间的流速，使该海流计在低流速条件下具有较高的灵敏度，在高流速条件下具有较强的强度和稳定性，提高了旋杯式海流计的测速区间。
本发明提供一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计，其包括密封壳体10、摩擦发电模块20、传动模块30、旋杯40和变间距模块50。其中，变间距模块50连接在密封壳体10一端的外侧；摩擦发电模块20设置在密封壳体10内；旋杯40设置在变间距模块50的外侧；传动模块30包括第一传动轴31、第二传动轴34以及分别连接第一传动轴31和第二传动轴34的磁联轴器，第一传动轴31的一端和磁联轴器的内磁体32连接且共同设置在密封壳体10内，第一传动轴31的另一端与摩擦发电模块20连接；磁联轴器的外磁体33设置在变间距模块50内，第二传动轴34的一端在变间距模块50内与外磁体33连接，第二传动轴34的另一端穿设变间距模块50并与旋杯40连接于变间距模块50的外侧；变间距模块50用于调整内磁体32和外磁体33之间的传动间隙进而实现对测速区间的调整，通过调整内磁体32和外磁体33的传动间隙，可具备三种不同的灵敏度，对应小、中、大区间的流速，使该自供电海流计在低流速条件下具有较高的灵敏度，在高流速条件下具有较强的强度和稳定性，提高了旋杯式海流计的测速区间；且核心测试部件采用非接触式传动的方式可完全密封，耐压能力优于传统油封模式的海流计，允许流速传感器在水下更深环境工作，拓宽了海流计的使用环境范围；此外，采用摩擦发电模块20产生的电信号来测算流速，将水流能转化为电能，无需电源对其供电就能产生与流速相关的电信号，减少能源消耗，同时结构简单易于制造。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种应用于海洋流场流速测量的自供电海流计，其特征在于，包括：
密封壳体；
摩擦发电模块，其设置在所述密封壳体内；
传动模块，其包括第一传动轴、第二传动轴以及分别连接所述第一传动轴和所述第二传动轴的磁联轴器，所述第一传动轴的一端和所述磁联轴器的内磁体连接且共同设置在所述密封壳体内，所述第一传动轴的另一端与所述摩擦发电模块连接；
旋杯，其与所述第二传动轴同轴连接；
变间距模块，其连接在所述密封壳体长度方向的外侧，所述磁联轴器的外磁体设置在所述变间距模块内，所述第二传动轴的一端在所述变间距模块内与外磁体连接，所述第二传动轴的另一端穿设所述变间距模块并与所述旋杯连接于所述变间距模块的外侧；所述变间距模块用于调整所述内磁体和所述外磁体之间的传动间隙进而实现对测速区间的调整。
2.根据权利要求1所述的自供电海流计，其特征在于，所述变间距模块包括与所述密封壳体同轴设置的固定块和滑动块，所述固定块设置在所述密封壳体一侧，所述滑动块与所述固定块通过滑槽配合实现所述变间距模块对所述内磁体和所述外磁体之间传动间隙的调整。
3.根据权利要求2所述的自供电海流计，其特征在于，所述固定块的外表面沿其轴向依次布置有至少两个沿其径向延伸的第一滑槽以及自所述第一滑槽的一端沿所述固定块的外表面轴向延伸形成的第二滑槽，所述滑动块设置有与所述第一滑槽以及所述第二滑槽配合的凸起。
4.根据权利要求2所述的自供电海流计，其特征在于，所述滑动块朝向所述固定块的内表面沿其轴向依次布置有至少两个沿其径向延伸的第一滑槽以及自所述第一滑槽的一端沿所述滑动块的内表面轴向延伸形成的第二滑槽，所述固定块设置有与所述第一滑槽以及第二滑槽配合的凸起。
5.根据权利要求3或4所述的自供电海流计，其特征在于，所述第一滑槽在所述固定块上的轴向截面为半圆形，所述第二滑槽在所述固定块上的径向截面为半圆形。
6.根据权利要求5所述的自供电海流计，其特征在于，所述凸起为半球形结构。
7.根据权利要求5所述的自供电海流计，其特征在于，所述第一滑槽为等间距设置的三个。
8.根据权利要求1所述的自供电海流计，其特征在于，所述摩擦发电模块包括发电单元和导电单元，所述发电单元包括与所述密封壳体同轴的转子、设置在所述转子外周面的正摩擦材料、设置在所述密封壳体内壁并与所述正摩擦材料表面接触的负摩擦材料，以及设置在所述密封壳体与所述负摩擦材料之间的导电单元，所述第一传动轴与所述转子连接。
9.根据权利要求8所述的自供电海流计，其特征在于，所述导电单元为多个片状电极，多个片状电极形成电极阵列并沿所述密封壳体内壁等距排列。
10.根据权利要求1所述的自供电海流计，其特征在于，所述第一传动轴通过第一轴承连接所述密封壳体，所述第二传动轴通过第二轴承连接所述变间距模块。
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