CN116952446A - 一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法，包括外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；滑动介电体位于感应电极包络的空间内，滑动介电体用于轴向运动改变滑动介电体与感应电极的接触面积产生电信号；平衡机构设置于滑动介电体与外壳之间，用于平衡感知单元内部气压与水下压力；信号采集器用于收集电信号，计算水下压力的大小和变化速度，进而可以得出水下压力传感器所受压力情况；采用摩擦纳米发电机技术，直接将水压信号转变为电信号，以实现自驱动；还具有结构强度高，不易损坏，稳定性好，环境适应能力强等特点。

Description

一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法

技术领域

本发明涉及水下探测领域，特别是涉及一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法。

背景技术

海洋探测是海洋科学中的重要领域，其中水压与深度信息是至关重要的。海水深度作为海洋环境中最基本、最重要的物理量之一，对于水下航行器的机动控制、水下管道焊接锈蚀研究、深海探测以及水位变化监测等方面具有重要意义。随着海洋探测技术的不断发展，如何更精确地测量潜水器的位置和运动信息已成为水下探测技术面临的巨大挑战，尤其是在昏暗、地形复杂以及生态复杂的水下环境中。因此，提高水压/深度信息的测量精度和可靠性，对于推动海洋探测技术的发展具有重要意义。

目前，对于水下的深度测量主要采用温盐深仪(CTD)，CTD是一种用于测量海水电导率(Conductivity)、温度(Temperature)和压力(Pressure)的海洋学仪器。其中，盐度(Salinity)由电导率推算得到，深度(Depth)可以通过压力计算得到。但目前水下压力测量技术存在体积庞大、造价成本高昂、人工维护成本高等缺点。

此外，其他常用的海洋探测方法(如声呐技术)也面临着如生物友好性差、成本高、能耗高、需要大量维护等挑战。因此，迫切需要开发一种低成本、低能耗、结构精简的新型水下压力传感器，以满足日益增长的海底探测、救援和防御等需求。

发明内容

为了解决现有的水下压力传感器成本高、能耗高、需要大量维护的问题，本发明提出了一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种水下压力传感器，包括外壳和信号采集器，以及设置于所述外壳内部的感知单元；

所述外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；

所述感知单元包括感应电极、滑动介电体、平衡机构；

所述感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；

所述滑动介电体位于所述感应电极包络的空间内，所述滑动介电体用于轴向运动改变所述滑动介电体与所述感应电极的接触面积产生电信号；

所述平衡机构设置于所述滑动介电体与所述外壳之间，用于平衡所述感知单元内部气压与水下压力；

所述信号采集器用于收集所述电信号，计算水下压力的大小和变化速度。

在一些实施例中，所述外壳与所述感知单元之间设置有圆柱壳，所述圆柱壳开口角度不大于330°，所述圆柱壳的内壁用于设置所述感应电极，方便所述感应电极的安装。

在一些实施例中，在所述圆柱壳底部设置防侧弯结构，能够避免所述平衡机构侧弯。

在一些实施例中，所述平衡机构为弹簧。

在一些实施例中，所述水下压力传感器与外界液体之间设置有密封膜，所述密封膜设置于所述水下压力传感器的底部，用于隔绝所述感知单元与外界液体的接触。

在一些实施例中，所述滑动介电体的高度为8mm，底面直径为15mm，其顶部与所述平衡机构连接。

在一些实施例中，所述外壳为圆柱形，所述滑动介电体为采用聚四氟乙烯(PTFE)材质的圆柱体。

在一些实施例中，所述感应电极为直角三角形结构的铝薄膜。

本发明还提出了一种水下压力大小测量方法，采用上述的水下压力传感器测量水下压力大小，包括如下步骤：

A1：预先测定所述水下压力传感器的输出电压与所述滑动介电体所处位置的关系曲线；

A2：通过检测获得所述滑动介电体在待测定运动位置时的输出电压数据；

A3：根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定所述水下压力传感器所受压力与水下垂直空间坐标。

本发明还提出了一种水下压力变化速度测量方法，采用上述的水下压力传感器测量水下压力变化速度，包括如下步骤：

B1：预先测定所述水下压力传感器的输出电流与所述滑动介电体运动速度的关系曲线；

B2：通过检测获得所述滑动介电体在待测定运动速度时所述水下压力传感器的输出电流数据；

B3：根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定所述水下压力传感器所在水下机器人的垂直空间运动速度。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

本发明采用摩擦纳米发电机技术，可以直接将水压信号转变为电信号，以实现自驱动，避免了水下压力传感器需要额外能量驱动的情况，从而提高了水下压力传感器的适应性；还通过感应电极和滑动介电体的设置，改变二者的相对轴向位置来改变二者之间的接触面积，产生不同的电位差，通过不同的电位差输出情况、与后续实验的电位差与压力之间的标定，进而可以得出水下压力传感器所受压力情况。本发明具有灵敏度高、输出信号直观、水下检测深度范围可调等优点。可以通过改变水下压力传感器的整体长度、弹簧的长度以及线径改变水下压力传感器的灵敏度与测量范围，以实现不同压力的检测。该水下压力传感器的结构易于小型化、制造成本低。并且水下压力传感器所用材料价格低廉、环保，具有结构强度高，不易损坏，稳定性好，环境适应能力强等特点。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1是本发明实施例提出的水下压力传感器整体结构示意图；

图2是本发明实施例提出的水下压力传感器的爆炸图；

图3是本发明实施例中3/4圆柱壳示意图；

图4是本发明实施例中水下压力传感器的受力示意图；

图5a是本发明实施例中水下压力传感器无水压时的示意图；

图5b是本发明实施例中水下压力传感器小水压时的示意图；

图5c是本发明实施例中水下压力传感器大水压时的示意图；

图6a是本发明实施例中水下压力传感器的滑动介电体初始位置示意图；

图6b是本发明实施例中水下压力传感器的滑动介电体径向工作原理示意图；

图6c是本发明实施例中水下压力传感器的滑动介电体径向工作原理示意图；

图6d是本发明实施例中水下压力传感器的滑动介电体径向工作原理示意图；

图7为本发明实施例中水下压力传感器从0kPa缓慢到达50kPa压强条件下的输出电压示意图；

图8本发明实施例中水下压力传感器在不同运动速度条件下的输出电流示意图；

附图标记如下：

1-外壳，2-圆柱壳，3-感应电极，4-弹簧，5-滑动介电体，6-密封膜。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

面对传统的水下压力传感器生物友好性差、成本高、能耗高、需要大量维护等问题，本发明实施例针对水下机器人的压力与深度测量的实际需求提出了一种基于单电极模式摩擦纳米发电机原理，具有结构简单、自驱动、对环境扰动感知灵敏度高、水下检测深度范围可调等特点的水下压力传感器，用于针对水下机器人的压力与深度测量，其包括：包括外壳，以及设置于外壳内部的感知单元；其作为压力和深度测量模块，可为水下机器人等潜水器提供压力测量结果和垂直空间坐标。

该水下压力传感器具体包括：外壳，以及设置于外壳内部的感知单元；外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；感知单元包括感应电极、滑动介电体、平衡机构、信号采集器；感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；滑动介电体位于感应电极包络的空间内，滑动介电体用于轴向运动改变滑动介电体与感应电极的接触面积产生电信号；具体是感应电极和滑动介电体的材料存在摩擦电负性差异；滑动介电体沿感应电极滑动时，两者间接触面积发生变化，水下压力传感器产生电信号。

平衡机构设置于滑动介电体与外壳之间，用于平衡感知单元内部气压与水下压力；信号采集器用于收集电信号，计算水下压力的大小和变化速度。

在不同的实施例中，外壳采用防水防腐的亚克力材料，外壳与感知单元之间设置有圆柱壳，其开口角度不大于330°，在特定的实施例中选用3/4圆柱壳，3/4圆柱壳的内壁用于设置感应电极，相对于贴于3/4圆柱壳内壁的感应电极可以滑动，方便感应电极的安装。具体地，在3/4圆柱壳底部设置防侧弯结构，能够避免平衡机构侧弯。

具体地，平衡机构为弹簧，滑动介电体由介电材料组成，滑动介电体连接于弹簧底部并放置在3/4圆柱壳内，进一步地，水下压力传感器与外界液体之间设置有密封膜，密封膜设置于水下压力传感器的底部，用于隔绝感知单元与外界液体的接触；优选地，密封膜为医用橡胶手指套。

具体地，外壳为圆柱形，滑动介电体为采用聚四氟乙烯(PTFE)材质的圆柱体；感应电极为直角三角形结构的铝薄膜；更具体地，感应电极的外表面分布有微米或次微米量级的微结构，微结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构；由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，为通过光刻蚀或等离子刻蚀方法制备的线状、立方体或四棱锥形状的阵列；阵列中纳米线、纳米管或纳米棒的尺寸在纳米到微米量级，进一步提升感应能力。

更具体地，感应电极采用直角三角形结构的薄膜，贴附于3/4圆柱壳，直角三角形的底边平行于3/4圆柱壳，直角三角形的高与圆柱壳的长度一致。

进一步地，水下压力传感器感知单元在感应电极最上部引出一根铜导线与静电高阻计相连，通过导线传输的数据保存至信号采集器。

进一步地，感应电极的材料为导电材料薄膜或单层导电材料。

进一步地，感应电极选用金属材料或非金属材料，金属材料为铜或铝，非金属材料为石墨；

感应电极的外表面分布有微米或次微米量级的微结构，微结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构；

由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，为通过光刻蚀或等离子刻蚀方法制备的线状、立方体或四棱锥形状的阵列；阵列中纳米线、纳米管或纳米棒的尺寸在纳米到微米量级，进一步提升感应能力。

进一步地，滑动介电体的材料为电负性较强的高分子材料，高分子材料为胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酞胺尼龙66、聚酞胺尼龙11、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、棉及其织物、聚氨醋弹性体、苯乙烯-丙烯睛共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、硬橡胶、醋酸醋、人造纤维、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸醋、聚对苯二甲酸乙二醇醋、聚酞亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯或聚四氟乙烯。

进一步地，滑动介电体的高度为8mm，底面直径为15mm，顶部与弹簧连接。

进一步地，圆柱壳采用3D打印制成。

本发明实施例还提出了一种水下压力大小测量方法，采用上述的水下压力传感器测量水下压力大小，包括如下步骤：

A1：预先测定水下压力传感器的输出电压与滑动介电体所处位置的关系曲线；

A2：通过检测获得滑动介电体在待测定运动位置时的输出电压数据；

A3：根据输出电压数据和关系曲线确定水下压力传感器所受压力与水下垂直空间坐标。

本发明实施例还提出了一种水下压力变化速度测量方法，采用上述的水下压力传感器测量水下压力变化速度，包括如下步骤：

B1：预先测定水下压力传感器的输出电流与滑动介电体运动速度的关系曲线；

B2：通过检测获得滑动介电体在待测定运动速度时水下压力传感器的输出电流数据；

B3：根据输出电流数据和关系曲线确定水下压力传感器所在水下机器人的垂直空间运动速度。

本发明实施例提出的水下压力传感器具有如下优势：

1、由于本发明实施例中的水下压力传感器采用摩擦纳米发电机技术，直接可以将水压信号转变为电信号，以实现自驱动，避免了水下压力传感器需要额外能量驱动的情况，从而提高了水下压力传感器的适应性。当滑动介电体所处不同位置，感应电极和滑动介电体之间产生了不同的电位差，通过后续实验的标定，通过输出电信号情况，可得出水下压力传感器所受压力情况。

2、本发明实施例中的水下压力传感器主要搭载于水下机器人，具有灵敏度高、输出信号直观、水下检测深度范围可调等优点。其中灵敏度高是摩擦纳米发电机传感器的特点；输出信号直观是因为将水压信号转化为电信号，输出的电信号更直观；可以通过改变水下压力传感器的整体长度、弹簧的长度以及线径改变水下压力传感器的灵敏度与测量范围，以实现不同压力的检测。

3、水下压力传感器的结构易于小型化、制造成本低。并且水下压力传感器所用材料价格低廉、环保，具有结构强度高，不易损坏，稳定性好，环境适应能力强等特点。

4、本发明实施例中的水下压力传感器不限定设置的角度，因为水压的方向是四面八方，因此其可任意角度进行放置来检测水下压力，搭载于水下机器人无需改造现有结构，在潜水器压力检测领域具有广泛的应用空间。

实施例：

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于摩擦纳米发电的水下压力传感器。其水下压力传感器包括由亚克力材质制作的防水防腐的外壳、3/4圆柱壳、贴于3/4圆柱壳内壁的感应电极、弹簧、连接于弹簧底部的滑动介电体和密封膜组成，其中箭头表示水下压力的方向。

在水下机器人应用场景下，水下压力传感器所处环境温度变化不大，因此可将水下压力传感器的工作过程近似认为是定温过程，其过程遵循玻意耳定律。玻意耳定律方程如下公式(1.1)所示：

pV＝常数(1.1)

其中p为气体压力，V为气体体积。

由过程方程(1.1)可得基本状态参数关系如下：

其中p₁为水下压力传感器内部气体初始压力，p₂为水下压力传感器内部气体压缩后压力，V₁为内部气体压缩前体积，V₂为内部气体压缩后体积。

如图4所示，其中黑色箭头表示弹簧的弹力F_弹，白色箭头表示水下压力传感器的感知单元内部气体压力F_内，灰色箭头表示海水压力F_水，在不考虑水下压力传感器内部摩擦阻力、运动构件质量和加速度产生的动能的影响情况下，滑动介电体滑动由外部海水压力和内部的弹簧弹力、内部气体压力，来实现内外压力的相互平衡，刚开始在没有外力作用下活塞处于静止状态。

如图5a-5c所示，当载有本发明实施例提出的水下压力传感器的水下机器人还未下潜时，水下压力传感器如图5a所示；随水下机器人下潜时水深增加，水下压力传感器受外部海水的压力逐渐增强，如图5b所示；当水深进一步增加时，水下压力传感器如图5c所示；其工作原理如下：外部海水与内部气体压力和弹簧弹力存在压力差，水压克服内部气体压力和弹簧弹力作用，推动滑动介电体运动压缩弹簧与腔内气体最终实现压力平衡。

当水下机器人上浮时水深减小，海水压力逐渐减小，水下压力传感器如图5b所示；当水下机器人浮出水面上时，水下压力传感器如图5a所示；其原理如下：内部气体压力和弹簧弹力克服外部海水压力作用推动滑动介电体向外滑动，弹簧的弹力减小，水下压力传感器内部体积增大、压力减小，最终实现压力平衡。

水下压力传感器在不考虑水下压力传感器内部摩擦阻力、运动构件质量和加速度产生的动能的影响情况下，水下压力传感器的压力平衡公式为：

F_弹+F_内＝F_水(1.4)

其中F_水为水下压力传感器密封膜处所受水压力，F_内为水下压力传感器内部气体压力，F_弹为弹簧弹力。

介电材料圆柱的内、外压力分别为公式(1.7)、(1.8)

其中p_内为水下压力传感器内部气体压强，p_水为水下压力传感器受到水的压强，π为圆周率，D为滑动介电体底面直径。

单电极模式的摩擦纳米发电机的独特优势在于，在机械能采集的过程中，一个摩擦面不需要导线的连接而可以自由移动。由于其中一个摩擦面可以自由移动，符合在不同水压下导致感知单元负极上下移动、位置不固定的实际应用场景，因此本发明选用单电极模式TENG设计感知单元结构。

基于单电极式摩擦纳米发电机的水下压力传感器的工作原理如图6a-6d所示，在初始位置时如图6a所示，滑动介电体5处于水下压力传感器最外端，此时固定的直角三角形感应电极3与滑动介电体5的重叠面积最小。两种材料表面由于摩擦起电效应产生数量相等、电性相反的电荷，由于介电材料电负性高于金属，因此滑动介电体5表面得到电子带负电，而感应电极3表面失去电子带正电。在此位置，电极处于静电平衡状态，没有电子流过外部电路。

随着外界压力增大，密封膜6受力增大并将力传递给滑动介电体5，推动滑动介电体5发生移动。滑动介电体5逐渐深入，如图6b所示，滑动介电体5沿固定感应电极3表面滑动时，重叠面积不断增大。产生的电位差将驱动电子从感应电极3流向地面，以实现新的静电平衡。这一发电过程将一直持续到滑动介电体5滑动到最内端，此处固定的三角形感应电极3与滑动介电体5的重叠面积达到最大。如图6c所示，在此位置，感应电极3上的正摩擦电荷数量达到最多。

随着外界压力减小，在弹簧4弹力的作用下，滑动介电体5开始沿着相反的方向滑动，如图6d所示，滑动介电体5与感应电极3接触重叠面积开始减小，导致摩擦电感电位差减小。产生的电位差将驱动电子从地面流向感应电极，重新建立静电平衡，这就产生了反向电流。在滑动介电体5到达最外端位置(初始位置，具体如图6a所示)之前，不断有电子流向感应电极。当水下压力传感器的密封膜6表面所受压力降为0，水下压力传感器将重新回到初始位置如图6a所示，并再次建立静电平衡状态。随着水下压力传感器所受压力增大、减小，在每个往复运动周期中，电子在感应电极3和地面之间来回流动，产生交流信号。此外，当滑动介电体5所处不同位置，感应电极3和滑动介电体5之间产生了不同的电位差。通过不同的电位差输出情况、与后续实验的电位差与压力之间的标定，进而可以得出水下压力传感器所受压力情况。

在一些不同的实施例中，亚克力圆柱绝缘外壳可将内部结构完全包裹。具体地，亚克力圆柱绝缘外壳高度为90mm，直径为25mm，壁厚2mm，内径21mm。该水下压力传感器结构组装后成为高90mm，直径为25mm的圆柱体，这种小巧规模设计有利于应用于水下机器人。

进一步地，3/4圆柱壳2采用绝缘材料3D打印PLA(聚乳酸)制成。本实施例中，3D打印的PLA 3/4的圆柱壳高度为85mm，直径为21mm，壁厚2mm，内径17mm。

进一步地，感应电极选用金属材料或非金属材料，金属材料为铜或铝，非金属材料为石墨；感应电极的外表面进行纳米处理，将贴附于3/4圆柱壳2的内壁。本实施例中，感应电极3采用铝薄膜，铝电极薄膜厚度为0.1mm，展开为底边长度40mm，高度60mm的直角三角形，贴于3/4圆柱壳的内壁。

进一步地，弹簧使用记忆合金弹簧或非金属材料，在压力减小时回到初始原位。可以根据不同的应用场景选择不同的弹簧线径，展现出对于水下微小压力变化感知(选用较小线径弹簧)和大范围压力感知的潜力(选用较大线径弹簧)。本实施例中，采用0.8*12*70(线径*弹簧直径*弹簧长度，单位mm)。

进一步地，滑动介电体使用电负性强、得电子能力强的高分子材料，可以选择的高分子材料有胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酞胺尼龙66、聚酞胺尼龙11、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、棉及其织物、聚氨醋弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、硬橡胶、醋酸醋、人造纤维、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸醋、聚对苯二甲酸乙二醇醋、聚酞亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯。滑动介电体的圆柱底面直径略小于3/4圆柱壳底面直径，其高度和底面直径随传感器整体大小改变而改变，与传感器的尺寸相匹配。本实施例中，采用高度为8mm，底面直径为15mm的PTFE圆柱。

进一步地，水下压力传感器感知单元中，感应电极3、弹簧4、滑动介电体5的尺寸根据应用需求确定，直角三角形的底边平行于3D打印支撑，三角形的高与支撑的长度一致，三角形的底边长由支撑底面周长决定。

进一步地，水下压力传感器和外界液体之间设有密封膜，其应具有良好的拉伸性与密封防水性。本实施例中，密封膜使用医用橡胶手指套。

进一步地，为保证亚克力圆柱绝缘外壳的密封防水性，在其底部缠绕电气绝缘胶。

进一步地，为防止装置在运动过程中因滑动而失去原有的位置关系，亚克力圆柱外壳与圆柱壳、圆柱壳与弹簧、弹簧与滑动介电体、密封套与亚克力外壳彼此之间通过热熔胶固定。

进一步地，水下压力传感器感知单元在铝电极最上部引出一根铜导线与信号采集器相连，通过导线传输的数据保存至信号存储器。本实施例中信号采集器选用静电高阻计，信号存储器选用电脑。

水下压力传感器所受压力大小的检测：当滑动介电体5以运动速度为0.058cm/s匀速到达50kPa压强位置，滑动介电体5和感应电极3的接触面积随着滑动介电体5所处位置的变化而改变，从而影响感应电极3表面的摩擦电荷和感应电荷的数量。随着两个摩擦层重合面积的增加感应电极3表面集聚的摩擦电荷和表面电荷的数目逐渐增加，感应电极3和大地之间的电势差的绝对值也随之升高。如图7所示为本实施例中水下压力传感器检测不同压力时输出电压的关系曲线，水下压力传感器所受压强由0kPa匀速增加到50kPa，其对应输出电压信号的绝对值也均匀增大，二者满足较好的线性关系，通过检测不同滑动介电体5位置时感应电极3和大地之间的电压即输出电压，从而实现水下压力传感器所受压力的检测。

本发明实施例还可以测量水下垂直空间坐标，在正式使用前进行标定，记录水深和电信号的对应关系，在下一次出现相同电压时，就是到达了相应深度，从而得到水下垂直空间坐标。

可以预先测定水下压力传感器的输出电压与滑动介电体5位置的关系曲线，具体使用时，可以通过检测获得滑动介电体5在某一待测定运动位置时水下压力传感器的输出电压数据，根据输出开路电压数据和关系曲线确定水下压力传感器所受压力情况。

水下压力传感器所受压力变化快慢的检测：当滑动介电体5以同一行程(如5cm)不同速度沿着感应电极3滑动时，感应电极3和滑动介电体5的接触面积变化相同，接触面积的变化速率不同，从而感应电极3和大地之间转移的电荷量相同而电荷转移速度不同。随着滑动介电体5的移动速度的增加，短路电流随之增大。如图8所示为本实施例的基于摩擦纳米发电的水下压力传感器不同运动速度条件下分别运动5s的输出电流示意图，滑动介电体5的每一个移动速度都对应不同的短路电流输出情况，通过检测短路电流信号即可实现对水下压力传感器压力变化速度的检测。

可以预先测定水下压力传感器的输出电流与滑动介电体5运动速度的关系曲线，具体使用时，可以通过检测获得滑动介电体5在某一待测定运动速度时水下压力传感器的输出短路电流数据，根据输出电流数据和关系曲线确定水下压力传感器所受压力变化的快慢。

其作为压力和深度测量模块，将水下压力传感器搭载于水下机器人，可为水下机器人提供压力测量结果和垂直空间坐标。并可以通过电信号对水下深度信息进行映射，进而可以反映关于潜水器的运动轨迹、运动速度等信息。并且通过阵列搭载的方式，可感知水下机器人的姿态。

通过由水下机器人携带的压力测量系统的应用，可积累丰厚的海洋观测数据信息来建立与完善海洋测量数据库，为海洋科学研究、海洋水面及水下活动提供重要保障，持续对目标海域气象水文信息监测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下压力传感器，其特征在于，包括外壳和信号采集器，以及设置于所述外壳内部的感知单元；

所述外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；

所述感知单元包括感应电极、滑动介电体、平衡机构；

所述感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；

所述滑动介电体位于所述感应电极包络的空间内，所述滑动介电体用于轴向运动改变所述滑动介电体与所述感应电极的接触面积产生电信号；

所述平衡机构设置于所述滑动介电体与所述外壳之间，用于平衡所述感知单元内部气压与水下压力；

所述信号采集器用于收集所述电信号，计算水下压力的大小和变化速度。

2.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述外壳与所述感知单元之间设置有圆柱壳，所述圆柱壳开口角度不大于330°，所述圆柱壳的内壁用于设置所述感应电极，方便所述感应电极的安装。

3.如权利要求2所述的水下压力传感器，其特征在于，在所述圆柱壳底部设置防侧弯结构，能够避免所述平衡机构侧弯。

4.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述平衡机构为弹簧。

5.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述水下压力传感器与外界液体之间设置有密封膜，所述密封膜设置于所述水下压力传感器的底部，用于隔绝所述感知单元与外界液体的接触。

6.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述滑动介电体的高度为8mm，底面直径为15mm，其顶部与所述平衡机构连接。

7.如权利要求6所述的水下压力传感器，其特征在于，所述外壳为圆柱形，所述滑动介电体为采用聚四氟乙烯(PTFE)材质的圆柱体。

8.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述感应电极为直角三角形结构的铝薄膜。

9.一种水下压力大小测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的水下压力传感器测量水下压力大小，包括如下步骤：

A1：预先测定所述水下压力传感器的输出电压与所述滑动介电体所处位置的关系曲线；

A2：通过检测获得所述滑动介电体在待测定运动位置时的输出电压数据；

A3：根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定所述水下压力传感器所受压力与水下垂直空间坐标。

10.一种水下压力变化速度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的水下压力传感器测量水下压力变化速度，包括如下步骤：

B1：预先测定所述水下压力传感器的输出电流与所述滑动介电体运动速度的关系曲线；

B2：通过检测获得所述滑动介电体在待测定运动速度时所述水下压力传感器的输出电流数据；

B3：根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定所述水下压力传感器所在水下机器人的垂直空间运动速度。