CN1800819A - 海洋声学浊度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海洋声学浊度传感器，包括具有封闭端面的柱形腔体、设置于腔体一端面里侧的换能器以及设于腔体内的电路盒，其中腔体具有换能器的端面外部安装有与换能器相对平行的反射板，腔体的另一端面设有出线孔，电路盒的输出信号通过电缆从该出线孔引出至数据处理系统，在出线孔与电缆之间设有密封材料。本发明制作容易，不易受耐压、密封等条件的限制，结构简单，测量准确。

Description

海洋声学浊度传感器
技术领域
本发明涉及海水或淡水的浑浊度测量装置，具体地说是将悬浮于水或透明液体中的不溶颗粒物质进行定量表征出来的海洋声学浊度传感器。
背景技术
在海洋领域科学考查中，海水的浊度是科学家研究海洋科学的一个重要参数，例如科学家经常利用浊度和其他一些数据来判断海底热液活动区。现有技术中常用的浊度传感器都是利用光学原理制作的，也就是利用悬浮于水或透明液体中的不溶性物质所产生的光的散射程度进行定量表征。但光波在水中吸收衰减极大，并易受到可溶性色度的影响；当水或透明液体的浊度较大时由于遮挡等因素更是难以准确测量；水或透明液体中污染物会粘贴在透光镜上影响本底标准而产生漂移；深海的压力非常巨大，因此在耐压和密封等方面都给光源的制作带来了许多困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服光学浊度传感器易受到可溶性色度的影响和水或透明液体浊度较大时由于遮挡等因素影响准确测量的不足，将声学原理运用到浊度测量中的海洋声学浊度传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
包括具有封闭端面的柱形腔体、设置于腔体一端面内侧的换能器以及设于腔体内的电路盒，其中腔体具有换能器的端面外部安装有与换能器相对平行的反射板，腔体的另一端面设有出线孔，电路盒的输出信号通过电缆从该出线孔引出至数据处理系统，在出线孔与电缆之间设有密封件。
所述密封件为设于出线孔内侧的O型圈及从出线孔外插入并可与O型圈压紧接触的盖；所述换能器为由发射换能器及接收换能器组成的在同一平面上、同心设置结构，二者具有均匀间距，分别通过导线与电路盒的输入端相连；所述声发射换能器及声接收换能器为图形平面压电陶瓷晶片；所述反射板与具有换能器的端面外周通过支架及固紧装置相连；所述支架的数量为3～6个；在所述腔体的外部还设有温度传感器；所述腔体为不锈钢材料；在腔体外表面及电缆出线孔处具有硫化橡胶层。
本发明具有以下优点：
1.结构简单，测量准确。由于本发明采用声学原理制作，不受可溶性色度及液体中污染物的影响，通过室内标准浊度对比校正，可准确对海水浊度进行数值表征。
2.制作容易，不易受耐压、密封等条件的限制。浊度传感器的声发射换能器及声接收换能器可贴于不锈钢体内壁上，同时设一反射板，可大大缩小浊度传感器的整体尺寸，并利于密封处理。
附图说明
图1为本发明结构简图；
图2为本发明换能器结构示意图；
图3为图2的右视图；
图4为本发明换能器工作原理示意图之一；
图5为本发明换能器工作原理示意图之二；
图6为本发明换能器工作原理示意图之三。
具体实施方式
如图1所示，本发明的具体结构如下：包括具有封闭端面的用圆形不锈钢加工而成的柱形腔体1、设置于腔体1一端面里侧的换能器3以及设于腔体1内的电路盒2，其中腔体1具有换能器3的端面外部加工有向周边延伸出的凸台，在凸台上通过螺柱连接在支架(本实施例为4个)的支脚上，支架的另一端与平行于换能器3的反射板5通过螺栓固定连接，腔体1的另一端面设有出线孔，电路盒2的输出信号通过电缆8从该出线孔引出至数据处理系统，在出线孔与电缆8之间通过O型圈及从外部插入的盖进行压紧，这样海水的压力作用下，盖与O型圈之间只能越压越紧，对腔体内部起到很好的密封作用；在腔体1外表面及电缆8出线孔处具有硫化橡胶层，对电缆8及腔体1起整体密封作用，使本发明在强烈的撞击下不受损害，不影响测量。
如图2、3所示，换能器3包括粘贴在腔体1的端面里侧的声发射换能器S及声接收换能器T，其中声发射换能器S为环形，在其环形中间，一圆片状的声接收换能器T与其同心设置，使二者保持均匀间距，并分别通过导线与电路盒(2)的输入端相连；该声发射换能器S及声接收换能器T为图形平面压电陶瓷晶片，二者可互换使用，即声发射换能器S可作为声接收换能器T来接收声波信号，声接收换能器T也可作为声发射换能器S来发射声波信号，二者通过电路盒中的电路控制其交换使用；在腔体1的外部还设有温度传感器10，使发明还可同时测量海水温度。
如图4～6所示，本发明的工作原理是：
声波在水中传播大约是以C＝1500米/秒的速度传播。当声波频率很高，并且其发送或接受的换能器面积大于几个波长时，可以认为是平面波向前辐射，其声波在水中比光波传播的距离要远的多，声波的衰减主要是水中的悬浮物颗粒的散射吸收，因而用声学法测量浑浊度是可行的；由于海水中的声速与海水的温度等参数有关，所以本发明经处理还可同时测量温度和流速等相关功能
声波在水中大约以声速C＝1500米/秒传播，以小声源低频率发生时，一般是以球面波向外辐射，只有当声波的波长是远小于发声体尺寸时，才以平面波向前辐射，而且水介质声吸收随声频率的增加而增加，对水中浑浊度也随频率的增加而愈加敏感，同时平面波声衰减与距离成比例；利用超声频的高频谐波会引起接收声脉冲幅度衰减，此衰减包络曲线的衰减大小与水中浑浊度成比例关系，因此可以从理论和实际标定中反演求出实际的应用公式。
常规的声波发射与接收装置可固定在两侧，也可将其固定安放于一侧，并且增加了一只ΔL＝5mm的反射板，以达到声波全反射的目的。这样做可以大大缩小测量体的几何尺寸，操作更加方便。在谐振频率器件中，选择f＝1*106---3*106的晶片，采用高质量的压电陶瓷换能器，经过多种形式的专用智能数字分析仪器，记录了脉冲声波的谐波一次、二次……n次谱线的能量曲线，进行定量分析，发现其声波脉冲形成的逐渐衰减与浑浊度标定值差异的规律，并经过多次操作试验和专用智能数字分析系统的复杂运算和总结，可以得到声波的衰减系数为：
α(f.β)＝A+B×f+C×β+D×β×f+F×f2
式中：β的单位：mg/l；f的单位：KHz；A、B、C、D、F为常数。
将声发射换能器S及声接受换能器T严格相对平行设置，X为其间隔距离，声发射换能器S发射一个声脉冲，声接受换能器T接收到一个直达声脉冲之后，还会受到一连串的换能器之间的反射脉冲，每个脉冲为Ai(t)，经过多次反射，其声脉冲振幅在不断衰减，此衰减在纯净海水和浑浊海水中有较大的差别，其差别的大小与浑浊度成比例关系。

Claims (9)

1.一种海洋声学浊度传感器，其特征在于：包括具有封闭端面的柱形腔体(1)、设置于腔体(1)一端面内侧的换能器(3)以及设于腔体(1)内的电路盒(2)，其中腔体(1)具有换能器(3)的端面外部安装有与换能器(3)相对平行的反射板(5)，腔体(1)的另一端面设有出线孔，电路盒(2)的输出信号通过电缆(8)从该出线孔引出至数据处理系统，在出线孔与电缆(8)之间设有密封件。
2.按权利要求1所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：所述密封件为设于出线孔内侧的O型圈及从出线孔外插入并可与O型圈压紧接触的盖。
3.按权利要求1所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：所述换能器(3)为由发射换能器(S)及接收换能器(T)组成的在同一平面上、同心设置结构，二者具有均匀间距，分别通过导线与电路盒(2)的输入端相连。
4.按权利要求3所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：所述声发射换能器(S)及声接收换能器(T)为图形平面压电陶瓷晶片。
5.按权利要求1所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：所述反射板(5)与具有换能器(3)的端面外周通过支架(9)及固紧装置相连。
6.按权利要求5所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：所述支架(9)的数量为3～6个。
7.按权利要求1所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：在所述腔体(1)的外部还设有温度传感器(10)。
8.按权利要求1所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：在所述腔体(1)为不锈钢材料。
9.按权利要求1所述海洋声学浊度传感器，其特征在于：在腔体(1)外表面及电缆(8)出线孔处具有硫化橡胶层。
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