CN117824596B - 一种电压比例式定点海流观测装置及方法 - Google Patents

一种电压比例式定点海流观测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电压比例式定点海流观测装置及方法，所述观测装置包括探头（1）、主体单元（2）以及位于主体单元（2）尾端的导流翼（6），主体单元（2）的外部设有加固套筒（3），加固套筒（3）的外部设有自由拉环（4），自由拉环（4）的内部设有滚珠轴承（7）。主体单元（2）的内部设有压力与密度集成传感器模块（5）和带有磁罗盘的数字处理储存模块，通过压力传感器得到仪器所处的水深，通过电子罗盘得到水体的流向，通过密度传感器得到对应水深的水体密度，并结合电阻分压比例与流速的相互关系，推算得到对应水深的流速结果，最终准确得到观测垂线上各层次的海流数据。

Description

一种电压比例式定点海流观测装置及方法
技术领域
本发明涉及海流观测技术领域，具体而言涉及一种电压比例式定点海流观测装置及方法。
背景技术
海流是海水大规模相对稳定的非周期性流动，是海洋动力环境的重要参数，对全球气候稳定、海洋生态系统平衡和海洋开发利用等起着至关重要的作用。因此，海流观测一直是海洋监测领域所关注的焦点之一，是海洋水文观测的重要组成部分。
定点海流计根据流速传感器的工作原理，分为旋转式海流计和非旋转式海流计两种。旋转式海流计利用海流的动能推动机械式流速传感器旋转，根据流速传感器的转速与流速成正比的原理测定流速，并用随流定向的尾翼和磁罗盘确定流向；非旋转式海流计种类很多，分别利用声、光、电、磁的原理测量海流，流速传感器中没有随流旋转的部件，主要包括：声学海流计、多普勒海流计、电磁海流计、热线海流计和应变片海流计等。
水体在流动时会形成一个较为稳定的流场，具有一定的动能，遇到障碍物时一部分动能则会转化为其他势能或能量。动能公式为：
，
其中 ρ 为水体的密度， ν 为水体的流速，V为水体的体积。从公式可以看出，在一定深度内，单位体积水体的动能由水密度和流速决定，故水体密度越大、流速越大对阻碍物的冲击力也就越大；反之水体密度越小、流速越小对阻碍物的冲击力也就越小。因此也可以理解为：
，
即冲击力F与水体的密度 ρ 和流速 ν 成正比，并具有一定的线性关系，因此只要知道F与 ρ 的数值，通过线性关系就可以得到对应的流速ν。
但现有技术中测得的流向、冲击力F不准确，导致最终得到的流速ν不准确。
例如公布号为CN 115508579 A的中国发明专利申请，其公开了一种海水剖面流速流向观测方法，包括在浮标体上安装ADCP和方位传感器；调整ADCP自身坐标系的Y轴方向与方位传感器的北向一致；在控制ADCP发射声波的同时，采集方位传感器检测到的方位数据，并接收ADCP采集输出的流速数据，计算出地球坐标系下流速的北向分量和东向分量；连续采集多次流速数据和方位数据，计算出北向分量的平均值和东向分量的平均值，计算出海水剖面的流速和流向。该发明采用外置方位传感器代替海流计的内置磁罗盘检测浮标体方位，通过将方位传感器检测到的准确的方位数据与ADCP检测到的流速数据进行矢量合成，由此可以获得地球坐标系下的准确的海流观测数据。但该发明所采用的浮标体结构较为复杂，而且整个仪器的姿态不好调整，流向不准确，进而导致测量的数据不够准确。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种电压比例式定点海流观测装置及方法，压力传感器得到仪器所处的水深，通过电子罗盘得到水体的流向，通过密度传感器得到对应水深的水体密度，并结合电阻分压比例与流速的相互关系，推算得到对应水深的流速结果，最终得到观测垂线上各层次的海流数据。
为了解决上述技术问题，本发明采用的方案如下：
本发明第一方面提供了一种电压比例式定点海流观测装置，该装置包括探头、主体单元以及位于主体单元尾端的导流翼，所述主体单元的外部设有加固套筒，加固套筒的外部设有自由拉环，自由拉环的内部设有滚珠轴承。主体单元的内部设有压力与密度集成传感器模块和带有磁罗盘的数字处理储存模块，通过压力传感器得到仪器所处的水深，通过电子罗盘得到水体的流向，通过密度传感器得到对应水深的水体密度，并结合电阻分压比例与流速的相互关系，推算得到对应水深的流速结果，最终准确得到观测垂线上各层次的海流数据。
水流的动能遇到仪器探头，使仪器探头压缩仪器内部的弹性装置到达平衡，同时安装在探头内部的变阻滑轮向仪器内部滑动，改变了电阻值，通过分析电阻分压比例，间接得到探头受到的冲力，并通过相关性得到对应的水体流速。
优选的是，所述主体单元的前端伸入探头中；主体单元的前端设有防水套层。
在上述任一方案中优选是，所述防水套层嵌入到探头的壳体内，防水套层采用柔软轻质的防水材料，起到仪器内舱防水的作用，同时不对探头受压运动造成阻碍；探头用于整个仪器的导流与受力。
在上述任一方案中优选是，所述主体单元内设有用于观测装置工作的压力与密度集成传感器模块、电路部件、数字处理储存模块和电源部件。压力与密度集成传感器模块用以获取仪器所处水深数据及该水深对应的水体密度。
在上述任一方案中优选是，所述电路部件包括变压滑轮、变压电阻、电压记录器、定常电阻和数据传输线，变压滑轮为滑动变阻器的滑片，可灵活的在变压电阻上滑动，当探头受压时变压滑轮进行滑动，调节变压电阻的电阻值（变压电阻类似于滑动变阻器的电阻丝，随着滑轮的运动，电阻值也随之变化）。
在上述任一方案中优选是，所述电压记录器为两个，分别靠近变压电阻和蓄电池，用来记录对应电路原件的电压值，靠近变压电阻的电压记录器负责记录变压电阻分得的电压；靠近蓄电池的电压记录器负责记录电源电压，最后用以算得电压比例。
在上述任一方案中优选是，所述数字处理储存模块为带有磁罗盘的数字处理储存模块；所述电源部件包括蓄电池和电线。
在上述任一方案中优选是，所述主体单元内还设有固定在弹性装置固定底座上的弹性装置，弹性装置用于平衡探头所受到的水体冲力，压缩程度越大，对应的水体流速、密度和冲击力也就越大。
本发明第二方面提供一种电压比例式定点海流观测装置的操作方法，依次执行下列步骤，
步骤一：将蓄电池装入观测装置内，观测装置每秒记录一组电压（变压电阻与蓄电池的电压）、水压、密度和磁向数据；
步骤二：使用绳索与上部自由拉环捆绑，配重挂在下部自由拉环处，将观测装置放到水中，沉到底部；
步骤三：观测装置的探头受到水流冲击会向观测装置腔内传送压力，由弹性装置压缩提供平衡力使探头入腔深度稳定，同时变压滑轮随探头向内滑动，改变了变压电阻的阻值，使变压电阻分得的电压比例变小，并使用电压比例来衡量水体冲力的大小；
步骤四：压力与密度集成传感器模块同步记录水压和水体密度变化数值；
步骤五：将观测装置缓慢拉出水体后，该观测时刻的海流垂线观测结束，得到从水底到水面的海流垂线数据，如停止观测则取出蓄电池即可；
步骤六：根据水压得到观测装置水深，通过磁罗盘和观测装置姿态得到水流方向，由于冲击力F与水体的密度 ρ 和流速ν成正比，同时变压电阻对应的电压比例U%与冲击力F成反比：
，
由公式可以看出通过F作为中间变量，电压比例U%与密度ρ和流速ν成一定的反比例线性关系，因此可以利用U%与ρ，通过线性关系得到对应的水体流速ｖ。
步骤五中的该观测时刻指的是仪器每次在固定时间，观测从水底至水面的海流数据，即为一个观测时刻，一般取整时或半点，或者根据技术要求的某个固定时间进行观测。
综上所述本发明的电压比例式定点海流观测装置具有以下优点：整体结构简单、制造成本低；采用水流的动能遇到仪器探头，使仪器探头压缩仪器内部的弹性装置到达平衡；通过压力传感器得到仪器所处的水深；通过电子罗盘得到水体的流向；通过密度传感器得到对应水深的水体密度，并结合电阻分压比例与流速的相互关系，推算得到对应水深的流速结果，最终准确得到观测垂线上各层次的海流数据。
附图说明
图1为按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的测量方法流程图。
图2为按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的一优选实施例的结构示意图。
图3为按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的图2所示优选实施例的剖视图。
图4为按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的图3所示优选实施例中滑动变阻（变压比）电路示意图。
附图标号说明：探头1，主体单元2，防水套层210，变压滑轮211，变压电阻212，弹性装置213，弹性装置固定底座214，电压记录器215，定常电阻216，数据传输线217，数字处理储存模块（含磁罗盘）218，蓄电池219，电线220，加固套筒3，自由拉环4，压力与密度集成传感器模块5，导流翼6，滚珠轴承7。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。下面结合说明书附图对本发明电压比例式定点海流观测装置及方法的具体实施方式作进一步的说明。
如图2所示，按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的一优选实施例的结构示意图。本发明的电压比例式定点海流观测装置，该装置包括探头1、主体单元2以及位于主体单元2尾端的导流翼6，所述主体单元2的外部设有加固套筒3，加固套筒3的外部设有自由拉环4，自由拉环4的内部设有滚珠轴承7。主体单元2的内部设有压力与密度集成传感器模块5和带有磁罗盘的数字处理储存模块218，通过压力传感器得到仪器所处的水深，通过电子罗盘得到水体的流向，通过密度传感器得到对应水深的水体密度，并结合电阻分压比例与流速的相互关系，推算得到对应水深的流速结果，最终准确得到观测垂线上各层次的海流数据。
水流的动能遇到仪器探头，使仪器探头压缩仪器内部的弹性装置到达平衡，同时安装在探头内部的变阻滑轮向仪器内部滑动，改变了电阻值，通过分析电阻分压比例，间接得到探头受到的冲力，并通过相关性得到对应的水体流速。
加固套筒3的作用是保护主体单元1不被拉绳与配重的双向拉力损坏；自由拉环4的上部拉环用于连接提拉绳索，下部拉环用于悬挂配重，拉环4内部配有滚珠轴承7保证仪器姿态可以随着流向自由地进行调整，确保流向的准确性；导流翼6使仪器的主体方向与水流方向保持一致。
接下来参阅图3所示，按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的图1所示优选实施例的剖视图。
在本实施例中，所述主体单元2的前端伸入探头1中；主体单元2的前端设有防水套层210。
在本实施例中，所述防水套层210嵌入到探头1的壳体内，防水套层210采用柔软轻质的防水材料，起到仪器内舱防水的作用，同时不对探头受压运动造成阻碍；探头1用于整个仪器的导流与受力。
在本实施例中，所述主体单元2内设有用于观测装置工作的压力与密度集成传感器模块5、电路部件、数字处理储存模块218和电源部件。压力与密度集成传感器模块5用以获取仪器所处水深数据及该水深对应的水体密度。
在本实施例中，所述电路部件包括变压滑轮211、变压电阻212、电压记录器215、定常电阻216和数据传输线217，变压滑轮211为滑动变阻器的滑片，可灵活的在变压电阻212上滑动，当探头1受压时变压滑轮211进行滑动，调节变压电阻212的电阻值（变压电阻212类似于滑动变阻器的电阻丝，随着滑轮的运动，电阻值也随之变化）。
在本实施例中，所述电压记录器215为两个，分别靠近变压电阻212和蓄电池219，用来记录对应电路原件的电压值，靠近变压电阻212的电压记录器负责记录变压电阻分得的电压；靠近蓄电池219的电压记录器负责记录电源电压，最后用以算得电压比例。定常电阻216用于分得固定电阻值的电压，与变压电阻串联后，使变压电阻的电压值具有反应受力大小的意义；数据传输线217分别负责将电压记录器215和压力与密度集成传感器模块5中观测的实时数据进行传输，发送到数字处理储存模块218中。
在本实施例中，所述数字处理储存模块218为带有磁罗盘的数字处理储存模块；所述电源部件包括蓄电池219和电线220。数字处理储存模块218对变压电阻的电压、电源电压、水密度、水压和观测时间间隔进行存储与相关分析，同时电磁罗盘负责记录仪器姿态方向，用以分析水体流向；蓄电池219负责为传感器、电压记录器、数字处理储存模块218和电阻提供电能；电线220负责为传感器、电压记录器、数字处理储存模块218和电阻传输电能和电压。
在本实施例中，所述主体单元2内还设有固定在弹性装置固定底座214上的弹性装置213，弹性装置213用于平衡探头1所受到的水体冲力，压缩程度越大，对应的水体流速、密度和冲击力也就越大。
如图4所示，按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的图3所示优选实施例中滑动变阻（变压比）电路示意图。
本发明的电压比例式定点海流观测装置的工作原理为：当观测装置置于流场中，在导流翼6的作用下，观测装置的导流与受力探头1会正向面对水流的方向，在水流对探头1的冲击力下会压缩弹性装置213，同时变压滑轮211也会随着压力向内滑动，导致前端的变压电阻212阻值变小，在变压电阻212、定常电阻216和蓄电池219组成的串联电路中，变压电阻212分得的电压比例越小，表示水流对探头1的冲击力越大，即变阻电压的比例值与水流冲击力成一定的反比关系，而水流冲击力与水密度、流速具有正比关系，因此通过电压比例值、水密度与流速之间的线性关系，可以最终确定观测装置所在水深的水体流速值。压力与密度集成传感器模块5获得对应水体的水深与水密度值，数字处理储存模块218中的磁罗盘通过观测装置姿态得到水流的方向，最终得到对应水深的海流观测数据。
最后参阅图1所示，按照本发明的电压比例式定点海流观测装置的图1所示优选实施例的工作状态图。
本发明一种电压比例式定点海流观测装置的操作方法，依次执行下列步骤，
步骤一：将蓄电池219装入观测装置内，观测装置每秒记录一组电压（变压电阻与蓄电池的电压）、水压、密度和磁向数据；
步骤二：使用绳索与上部自由拉环4捆绑，配重挂在下部自由拉环处，将观测装置放到水中，沉到底部；
步骤三：观测装置的探头1受到水流冲击会向观测装置腔内传送压力，由弹性装置213压缩提供平衡力使探头1入腔深度稳定，同时变压滑轮211随探头1向内滑动，改变了变压电阻212的阻值，使变压电阻212分得的电压比例变小，并使用电压比例来衡量水体冲力的大小；
步骤四：压力与密度集成传感器模块5同步记录水压和水体密度变化数值；
步骤五：将观测装置缓慢拉出水体后，该观测时刻的海流垂线观测结束，得到从水底到水面的海流垂线数据，如停止观测则取出蓄电池即可；
步骤六：根据水压得到观测装置水深，通过磁罗盘和观测装置姿态得到水流方向，由于冲击力F与水体的密度ρ和流速ν成正比，同时变压电阻212对应的电压比例U%与冲击力F成反比：
，
由公式可以看出通过F作为中间变量，电压比例U%与密度ρ和流速ν成一定的反比例线性关系，因此可以利用U%与ρ，通过线性关系得到对应的水体流速ｖ。
本领域技术人员不难理解，本发明的电压比例式定点海流观测装置包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且为了使说明书简明，在此没有将这些组合一一详细介绍，但看过本说明书后，由本说明书构成的各部分的任意组合构成的本发明的范围已经不言自明。

Claims (6)

1.一种电压比例式定点海流观测装置，该装置包括探头（1）、主体单元（2）以及位于主体单元（2）尾端的导流翼（6），其特征在于：主体单元（2）的外部设有加固套筒（3），加固套筒（3）的外部设有自由拉环（4），自由拉环（4）的内部设有滚珠轴承（7）；主体单元（2）的内部设有压力与密度集成传感器模块和带有磁罗盘的数字处理储存模块，通过压力传感器得到仪器所处的水深，通过电子罗盘得到水体的流向，通过密度传感器得到对应水深的水体密度，并结合电阻分压比例与流速的相互关系，推算得到对应水深的流速结果，最终准确得到观测垂线上各层次的海流数据；主体单元（2）内设有用于观测装置工作的压力与密度集成传感器模块（5）、电路部件、数字处理储存模块（218）和电源部件；所述电路部件包括变压滑轮（211）、变压电阻（212）、电压记录器（215）、定常电阻（216）和数据传输线（217），变压滑轮（211）为滑动变阻器的滑片，可灵活的在变压电阻（212）上滑动，当探头（1）受压时变压滑轮（211）进行滑动，调节变压电阻（212）的电阻值；主体单元（2）内还设有固定在弹性装置固定底座（214）上的弹性装置（213）；观测装置的探头（1）受到水流冲击会向观测装置腔内传送压力，由弹性装置（213）压缩提供平衡力使探头（1）入腔深度稳定，同时变压滑轮（211）随探头（1）向内滑动，改变了变压电阻（212）的阻值，使变压电阻（212）分得的电压比例变小，并使用电压比例来衡量水体冲力的大小；水流冲击力与水密度、流速具有正比关系，因此通过电压比例值、水密度与流速之间的线性关系，最终确定观测装置所在水深的水体流速值。
2.如权利要求1所述的电压比例式定点海流观测装置，其特征在于：主体单元（2）的前端伸入探头（1）中；主体单元（2）的前端设有防水套层（210）。
3.如权利要求2所述的电压比例式定点海流观测装置，其特征在于：防水套层（210）嵌入到探头（1）的壳体内，防水套层（210）采用柔软轻质的防水材料；探头（1）用于整个仪器的导流与受力。
4.如权利要求1所述的电压比例式定点海流观测装置，其特征在于：电压记录器（215）为两个，分别靠近变压电阻（212）和蓄电池（219），用来记录对应电路原件的电压值，靠近变压电阻（212）的电压记录器负责记录变压电阻分得的电压；靠近蓄电池（219）的电压记录器负责记录电源电压，最后用以算得电压比例。
5.如权利要求1所述的电压比例式定点海流观测装置，其特征在于：所述电源部件包括蓄电池（219）和电线（220）。
6.一种电压比例式定点海流观测装置的操作方法，采用权利要求1所述的观测装置，依次执行下列步骤，
步骤一：将蓄电池（219）装入观测装置内，观测装置每秒记录一组电压、水压、密度和磁向数据；
步骤二：使用绳索与上部自由拉环（4）捆绑，配重挂在下部自由拉环处，将观测装置放到水中，沉到底部；
步骤三：观测装置的探头（1）受到水流冲击会向观测装置腔内传送压力，由弹性装置（213）压缩提供平衡力使探头（1）入腔深度稳定，同时变压滑轮（211）随探头（1）向内滑动，改变了变压电阻（212）的阻值，使变压电阻（212）分得的电压比例变小，并使用电压比例来衡量水体冲力的大小；
步骤四：压力与密度集成传感器模块（5）同步记录水压和水体密度变化数值；
步骤五：将观测装置缓慢拉出水体后，该观测时刻的海流垂线观测结束，得到从水底到水面的海流垂线数据，如停止观测则取出蓄电池即可；
步骤六：根据水压得到观测装置水深，通过磁罗盘和观测装置姿态得到水流方向，由于冲击力F与水体的密度ρ和流速ν成正比，同时变压电阻（212）对应的电压比例U%与冲击力F成反比：
，
通过F作为中间变量，电压比例U%与密度ρ和流速ν成一定的反比例线性关系，可以利用U%与ρ，通过线性关系得到对应的水体流速ｖ。
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