CN116345953B - 一种水下自驱动剖面测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋环境观测技术领域，提供一种水下自驱动剖面测量传感器,包括电机动力舱和浮力调节舱,电机动力舱顶部与浮力调节舱底部固定连接；能量收集装置，设置在电机动力舱的外壁上，用于将周围环境中的振动机械能以及太阳能转化为电能；数据采集部，用于采集海洋环境数据和水下自驱动剖面测量传感器的姿态数据；深度调节部，深度调节部设置在电机动力舱和浮力调节舱之间，用于控制下潜和上浮；通信部，用于接收指令和发送信息；储能装置，用于储存收集装置并产生的电能并向数据采集部、深度调节部、通信部和控制电路进行供电。本发明可以合理利用周围环境中的能量，将振动机械能和太阳能转化为电能并有利于长期观测。

Description

一种水下自驱动剖面测量传感器

技术领域

本发明属于海洋环境观测技术领域，尤其涉及一种水下自驱动剖面测量传感器。

背景技术

传统的海洋水文观测大多数使用锚定式浮标或潜标以及海洋剖面浮标、水下滑翔机等设备来获取海洋水文剖面数据。

现有观测设备都需要携带大量的电池包来给整个系统供电，维持系统在水下长期的观测需求，体积大，投放和回收成本高。随着海洋观测技术的不断发展，但在对海洋进行长期探测的过程中，现有观测设备面临着能源供应等方面的挑战。尤其是对于海洋表层以下的观测，传统的能源供给技术如铅酸电池、锂离子电池、燃料电池等存在着能量难以收集、电池更换麻烦等困难。因此，亟需一种可以利用工作时周围环境的太阳能以及海洋环境中的振动，将太阳能和振动机械能转化为电能并进行储存以利于长期观测的水下自驱动剖面测量传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下自驱动剖面测量传感器，以解决上述问题，达到合理利用周围环境中的能量，将振动机械能和太阳能转化为电能以利于长期观测的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种水下自驱动剖面测量传感器，包括：

电机动力舱和浮力调节舱,所述电机动力舱的顶部与所述浮力调节舱的底部固定连接；

能量收集装置，所述能量收集装置设置在所述电机动力舱的外壁上，用于将周围环境中的振动机械能以及太阳能转化为电能；

数据采集部，所述数据采集部设置在所述浮力调节舱内，用于采集海洋环境数据和所述水下自驱动剖面测量传感器的姿态数据；

深度调节部，所述深度调节部设置在所述电机动力舱和浮力调节舱之间，用于控制所述水下自驱动剖面测量传感器的下潜和上浮；

通信部，所述通信部设置在所述浮力调节舱的内侧顶部，用于接收指令和发送信息；

控制电路，所述控制电路用于控制所述数据采集部、动力调节部和所述通信部的运转；

储能装置，所述储能装置设置在所述电机动力舱的内侧底部，用于储存所述能量收集装置产生的电能并向所述数据采集部、深度调节部、通信部和所述控制电路进行供电。

优选的，所述能量收集装置包括固定套设在所述电机动力舱上的内固定环，所述内固定环的外侧壁上通过若干连接板同轴线固定连接有隔离环，所述内固定环和所述隔离环的上下两端面之间分别固定连接有上固定板和下固定板，所述上固定板和所述下固定板之间形成空腔，所述上固定板上设置有光能收集部和振动能收集部，所述隔离环与所述空腔之间设置有旋转能量收集部。

优选的，所述旋转能量收集部包括转动套设在所述隔离环外侧的保护环，所述保护环远离所述隔离环的侧壁上等间距固定连接有若干导流叶片，所述保护环靠近所述隔离环的侧壁上等间距固定连接有若干旋转磁铁，所述内固定环远离所述电机动力舱的侧壁上等间距固定连接有若干金属悬臂梁的一端，若干所述金属悬臂梁的另一端固定连接有方形磁铁，若干所述方形磁铁位于所述空腔内且与若干所述旋转磁铁对应设置，若干所述金属悬臂梁上分别固定连接有压电片，所述压电片与所述储能装置电性连接。

优选的，所述振动能收集部包括若干扇形压电片，所述扇形压电片的两端分别固定连接有扇形金属基板，若干所述扇形金属基板固定连接在所述上固定板的上表面，若干所述扇形压电片等间距分布在所述上固定板上且与储能装置电性连接。

优选的，所述光能收集部包括固定连接在所述上固定板上表面的光伏板和嵌设在所述浮力调节舱侧壁上的导电金属片，所述光伏板通过所述导电金属片与所述储能装置电性连接，若干所述光伏板和若干所述扇形压电片间隔分布在所述上固定板上。

优选的，所述深度调节部包括竖向固定连接在所述电机动力舱内的减速电机，所述浮力调节舱的内侧壁上滑动连接有活塞，所述减速电机的输出轴通过联轴器固定连接有滚珠丝杆的一端，所述滚珠丝杆竖向转动连接在所述电机动力舱内，所述滚珠丝杆上传动连接有滚珠丝杆螺母，所述滚珠丝杆螺母的顶端固定连接有连接杆的一端，所述连接杆的另一端贯穿所述浮力调节舱的底部且与所述活塞的底部固定连接，所述减速电机与所述控制电路电性连接。

优选的，所述数据采集部包括固定连接在所述电机动力舱内侧底部的温度探头、压力探头和固定连接在所述浮力调节舱内侧顶部的姿态传感器，所述温度探头、压力探头和所述姿态传感器分别与所述控制电路电性连接。

优选的，所述通信部包括固定连接在所述浮力调节舱内侧顶部的通信模块和卫星天线，所述通信模块和所述卫星天线分别和所述控制电路电性连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：浮力调节舱和电机动力舱采用高强度铝合金筒，其主要作用是为数据采集部、动力调节部、通信部、控制电路和储能装置提供安全的运转环境，防止海水对设备的危害；能量收集装置的主要作用是充分利用本发明的传感器运行时产生的海水冲击、涡激振动以及太阳光进行能量收集并转化为电能；深度调节部的主要作用是通过控制浮力调节舱的体积来控制本发明的测量传感器在海水中的上浮和下沉，使水下观测任务能顺利完成。整体上，本发明可以充分回收工作时在周围环境中产生的振动机械能，并将振动机械能转化为电能进行储存，以及在海面漂流时收集环境中的太阳能以利于长期对海洋水文的观测，避免了更换电池的麻烦，同时，可以通过接收岸基发送的指令，自主完成观测的一系列任务。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1为本发明传感器的主视剖视图；

图2为本发明能量收集装置的局部示意图；

图3为本发明光能收集部和振动能收集部的俯视图；

图4为本发明旋转能量收集部的示意图；

图5为本发明温度探头和压力探头的位置示意图；

图6为本发明能量收集装置的剖视图；

图7为本发明传感器电路系统组成示意图；

图8为本发明传感器电路控制逻辑流程图；

其中，1、光伏板；2、导电金属片；3、扇形金属基板；4、扇形压电片；5、上固定板；6、旋转磁铁；7、导流叶片；8、保护环；9、隔离环；10、金属悬臂梁；11、方形磁铁；12、压电片；13、下固定板；14、内固定环；15、陶瓷滚珠；16、灌封槽；17、温度探头；18、压力探头；19、控制电路；21、减速电机；22、电机动力舱；23、能量收集装置；25、联轴器；27、滚珠丝杆螺母；28、滚珠丝杆；30、连接杆；32、储能装置；33、活塞；35、尾端导流罩；36、姿态传感器；37、通信模块；38、卫星天线；39、浮力调节舱。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-8所示，本发明提供了一种水下自驱动剖面测量传感器，包括：

一种水下自驱动剖面测量传感器，包括：

电机动力舱22和浮力调节舱39,电机动力舱22的顶部与浮力调节舱39的底部固定连接；

能量收集装置23，能量收集装置23设置在电机动力舱22的外壁上，用于将周围环境中的振动机械能以及太阳能转化为电能；

数据采集部，数据采集部设置在浮力调节舱39内，用于采集海洋环境数据和水下自驱动剖面测量传感器的姿态数据；

深度调节部，深度调节部设置在电机动力舱22和浮力调节舱39之间，用于控制水下自驱动剖面测量传感器的下潜和上浮；

通信部，通信部设置在浮力调节舱39的内侧顶部，用于接收指令和发送信息；

控制电路19，控制电路19用于控制数据采集部、动力调节部和通信部的运转；

储能装置32，储能装置32设置在电机动力舱22的内侧底部，用于储存能量收集装置23产生的电能并向数据采集部、深度调节部、通信部和控制电路19进行供电。

浮力调节舱39和电机动力舱22采用高强度铝合金筒，其主要作用是为数据采集部、动力调节部、通信部、控制电路19和储能装置32提供安全的运转环境，防止海水对设备的危害；能量收集装置23的主要作用是充分利用本发明的传感器运行时产生的海水冲击、涡激振动以及太阳光进行能量收集并转化为电能；动力调节部的主要作用是通过控制浮力调节舱39的体积来控制本发明的水下自驱动剖面测量传感器在海水中的上浮和下沉，使水下观测任务能顺利完成。整体上，本发明可以充分回收工作时在周围环境中产生的振动机械能，并将振动机械能转化为电能进行储存，以利于长期对海洋水文的观测，避免了更换电池的麻烦，同时，可以通过接收岸基发送的指令，自主完成观测的一系列任务。

进一步优化方案，电机动力舱22的底部设置有尾端导流罩35。

尾端导流罩35的主要作用是降低本发明的传感器在下潜时的运行阻力和保护温度探头17。

进一步优化方案，能量收集装置23包括固定套设在电机动力舱22上的内固定环14，内固定环14的外侧壁上通过若干连接板同轴线固定连接有隔离环9，内固定环14和隔离环9的上下两端面之间分别固定连接有上固定板5和下固定板13，上固定板5和下固定板13之间形成空腔，上固定板5上设置有光能收集部和振动能收集部，隔离环9与空腔之间设置有旋转能量收集部。

内固定环14、隔离环9、上固定板5和下固定板13在电机动力舱22的外侧中部构成了能量收集装置23的骨架结构，并使内腔与海水进行隔绝。

进一步优化方案，空腔内设置有灌封槽16（图中未示出），灌封槽16的内部通过聚氨酯灌封电路板。

进一步优化方案，旋转能量收集部包括转动套设在隔离环9外侧的保护环8，保护环8远离隔离环9的侧壁上等间距固定连接有若干导流叶片7，保护环8靠近隔离环9的侧壁上等间距固定连接有若干旋转磁铁6，内固定环14远离电机动力舱22的侧壁上等间距固定连接有若干金属悬臂梁10的一端，若干金属悬臂梁的另一端固定连接有方形磁铁11，若干方形磁铁11位于空腔内且与若干旋转磁铁6对应设置，若干金属悬臂梁10上分别固定连接有压电片12，压电片12与储能装置32电性连接。

如图2和图4所示，保护环8和隔离环9之间抵接有32个陶瓷滚珠15（图中未示出），通过陶瓷滚珠15的滚动可以减小保护环8转动时的阻力。本发明的水下自驱动剖面测量传感器在海面漂流或者海水中上浮或者下潜时，海流通过冲击若干导流叶片7，使若干导流叶片7带动保护环8绕隔离环9进行转动，保护环8转动带动内侧的若干旋转磁铁6绕隔离环9发生转动，若干旋转磁铁6与若干金属悬臂梁10末端的方形磁铁11存在斥力，通过旋转磁铁6推动方形磁铁11使金属悬臂梁10和粘贴在其上的压电片12发生变形，压电片12变形产生电能，产生的电能通过金属悬臂梁10储存到储能装置32中。

进一步优化方案，振动能收集部包括若干扇形压电片4，扇形压电片4的两端分别固定连接有扇形金属基板3，若干扇形金属基板3固定连接在上固定板5的上表面，若干扇形压电片4等间距分布在上固定板5上且与储能装置32电性连接。

如图3所示，扇形金属基板3通过螺栓固定在上固定板5上，扇形压电片4通过粘接固定在扇形金属基板3上。在本发明的传感器在下潜进行剖面温度观测时，在上固定板5的上表面脱落的涡街会驱使扇形压电片4压电片振动并产生电能，产生的电能通过扇形金属基板储存到储能装置32中。

进一步优化方案，光能收集部包括固定连接在上固定板5上表面的光伏板1和嵌设在浮力调节舱39侧壁上的导电金属片2，光伏板1通过导电金属片2与储能装置32电性连接，若干光伏板1和若干扇形压电片4间隔分布在上固定板5上。

如图3所示，光伏板1为非晶硅光伏板。在良好的天气状况下，光伏板1可以通过光伏能量收集产生电能，并通过导电金属片2储存到储能装置32中。

进一步优化方案，深度调节部包括竖向固定连接在电机动力舱22内的减速电机21，浮力调节舱39的内侧壁上滑动连接有活塞33，减速电机21的输出轴通过联轴器25固定连接有滚珠丝杆28的一端，滚珠丝杆28竖向转动连接在电机动力舱22内，滚珠丝杆28上传动连接有滚珠丝杆螺母27，滚珠丝杆螺母27的顶端固定连接有连接杆30的一端，连接杆30的另一端贯穿浮力调节舱39的底部且与活塞33的底部固定连接，减速电机21与控制电路19电性连接。

如图1所示，当需要使本发明的剖面测量传感器进行下潜时，控制电路19通过控制减速电机21转动，减速电机21转动通过联轴器25使滚珠丝杆28进行转动，滚珠丝杆28上的滚珠丝杆螺母27在滚珠丝杆28上向下运动，带动活塞33拉动浮力调节舱39体积收缩，减小本发明传感器的浮力，当浮力小于重力时，实现下潜。当需要上浮时，控制电路19通过控制减速电机21翻转，使活塞33推动浮力调节舱39的体积增大，增加本发明传感器的浮力，当浮力大于重力时，实现传感器上浮。

进一步优化方案，数据采集部包括固定连接在电机动力舱22内侧底部的温度探头17、压力探头18和固定连接在浮力调节舱39内侧顶部的姿态传感器36，温度探头17、压力探头18和姿态传感器36分别与控制电路19电性连接。

温度探头17的主要作用是在本发明的传感器下潜时对海洋剖面温度进行观测。压力探头18的主要作用是对不同深度的海水压力进行探测。姿态传感器36的主要作用是对本发明的传感器运行姿态进行监控。

进一步优化方案，通信部包括固定连接在浮力调节舱39内侧顶部的通信模块37和卫星天线38，通信模块37和卫星天线38分别和控制电路19电性连接。

通信模块37和卫星天线38的主要作用是确保本发明的传感器和岸基可以时刻保持通信联系。

本实施例的工作过程如下：如图8所示，本发明的传感器投放后，默认处于休眠状态，在外部有中断唤醒后，会首先发送自身的定位信息，然后等待监控中心的指令。收到指令后传感器下沉，开启数据采集部进行采样，通过动力调节部，让传感器下沉到设定深度后再上浮，到达水面后，关闭数据采集部，并将采集到的数据发回监控中心，之后休眠等待指令，如此往复循环。

当通信模块37接收到岸基发来的观测指令时，控制电路19通过启动减速电机21使活塞33拉动浮力调节舱39体积收缩，减小本发明传感器的浮力，使浮力传感器下潜，温度探头17和压力探头18同步工作进行相关的水文数据监测。在下潜过程中，海流通过冲击导流叶片7，使保护环8转动，保护环8转动带动若干旋转磁铁6转动，若干旋转磁铁6转动通过磁力不断推动方形磁铁11，使若干金属悬臂梁10上的压电片12振动，从而产生电能进行储存。同时，下潜时，在上固定板5的上表面脱落的涡街会驱使扇形压电片4压电片振动并产生电能并进行储存。在天气状况良好时，本发明的水下自驱动剖面测量传感器在海面漂流的过程中，上固定板5上的光伏板1可以通过吸收太阳能进行发电并储存。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“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，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水下自驱动剖面测量传感器，其特征在于，包括：

电机动力舱（22）和浮力调节舱（39）,所述电机动力舱（22）的顶部与所述浮力调节舱（39）的底部固定连接；

能量收集装置（23），所述能量收集装置（23）设置在所述电机动力舱（22）的外壁上，用于将周围环境中的振动机械能以及太阳能转化为电能；

数据采集部，所述数据采集部设置在所述浮力调节舱（39）内，用于采集海洋环境数据和所述水下自驱动剖面测量传感器的姿态数据；

深度调节部，所述深度调节部设置在所述电机动力舱（22）和浮力调节舱（39）之间，用于控制所述水下自驱动剖面测量传感器的下潜和上浮；

通信部，所述通信部设置在所述浮力调节舱（39）的内侧顶部，用于接收指令和发送信息；

控制电路（19），所述控制电路（19）用于控制所述数据采集部、动力调节部和所述通信部的运转；

储能装置（32），所述储能装置（32）设置在所述电机动力舱（22）的内侧底部，用于储存所述能量收集装置（23）产生的电能并向所述数据采集部、深度调节部、通信部和所述控制电路（19）进行供电；

所述能量收集装置（23）包括固定套设在所述电机动力舱（22）上的内固定环（14），所述内固定环（14）的外侧壁上通过若干连接板同轴线固定连接有隔离环（9），所述内固定环（14）和所述隔离环（9）的上下两端面之间分别固定连接有上固定板（5）和下固定板（13），所述上固定板（5）和所述下固定板（13）之间形成空腔，所述上固定板（5）上设置有光能收集部和振动能收集部，所述隔离环（9）与所述空腔之间设置有旋转能量收集部；

所述旋转能量收集部包括转动套设在所述隔离环（9）外侧的保护环（8），所述保护环（8）远离所述隔离环（9）的侧壁上等间距固定连接有若干导流叶片（7），所述保护环（8）靠近所述隔离环（9）的侧壁上等间距固定连接有若干旋转磁铁（6），所述内固定环（14）远离所述电机动力舱（22）的侧壁上等间距固定连接有若干金属悬臂梁（10）的一端，若干所述金属悬臂梁的另一端固定连接有方形磁铁（11），若干所述方形磁铁（11）位于所述空腔内且与若干所述旋转磁铁（6）对应设置，若干所述金属悬臂梁（10）上分别固定连接有压电片（12），所述压电片（12）与所述储能装置（32）电性连接；

所述振动能收集部包括若干扇形压电片（4），所述扇形压电片（4）的两端分别固定连接有扇形金属基板（3），若干所述扇形金属基板（3）固定连接在所述上固定板（5）的上表面，若干所述扇形压电片（4）等间距分布在所述上固定板（5）上且与储能装置（32）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种水下自驱动剖面测量传感器，其特征在于：所述光能收集部包括固定连接在所述上固定板（5）上表面的光伏板（1）和嵌设在所述浮力调节舱（39）侧壁上的导电金属片（2），所述光伏板（1）通过所述导电金属片（2）与所述储能装置（32）电性连接，若干所述光伏板（1）和若干所述扇形压电片（4）间隔分布在所述上固定板（5）上。

3.根据权利要求1所述的一种水下自驱动剖面测量传感器，其特征在于：所述深度调节部包括竖向固定连接在所述电机动力舱（22）内的减速电机（21），所述浮力调节舱（39）的内侧壁上滑动连接有活塞（33），所述减速电机（21）的输出轴通过联轴器（25）固定连接有滚珠丝杆（28）的一端，所述滚珠丝杆（28）竖向转动连接在所述电机动力舱（22）内，所述滚珠丝杆（28）上传动连接有滚珠丝杆螺母（27），所述滚珠丝杆螺母（27）的顶端固定连接有连接杆（30）的一端，所述连接杆（30）的另一端贯穿所述浮力调节舱（39）的底部且与所述活塞（33）的底部固定连接，所述减速电机（21）与所述控制电路（19）电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种水下自驱动剖面测量传感器，其特征在于：所述数据采集部包括固定连接在所述电机动力舱（22）内侧底部的温度探头（17）、压力探头（18）和固定连接在所述浮力调节舱（39）内侧顶部的姿态传感器（36），所述温度探头（17）、压力探头（18）和所述姿态传感器（36）分别与所述控制电路（19）电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种水下自驱动剖面测量传感器，其特征在于：所述通信部包括固定连接在所述浮力调节舱（39）内侧顶部的通信模块（37）和卫星天线（38），所述通信模块（37）和所述卫星天线（38）分别和所述控制电路（19）电性连接。