一种深海应用的高度集成化温度传感器的制作方法

本实用新型涉及海洋观测技术领域，具体为一种深海应用的高度集成化温度传感器。

背景技术：

温度数据是物理海洋观测的基础参数，也是海洋动力学的基本要素，是计算其他诸如盐度、密度、声速物理参数必不可少的因子，因此其被广泛应用于各种探测仪器、运动平台、作业设备、航行船只、水体养殖甚至是军事武器装备上。因此进行常规物理海洋观测，为海洋科学提供有意义数据支持的温度传感器测量精度一般要求在±0.01摄氏度以内，国际上做的比较好的设备，测量准确度可达±0.003摄氏度。常见的温度传感器工作方式一般分为以下几种。

1.温度传感器作为主体，独立自主自容式工作，在工作过程中，不与外部进行数据交换，所有的工作数据存储在内部，当工作完成之后，由人工打捞上来，使用通讯电缆与计算机连接，将历史数据全部导出。这种传感器的数据实时性差。

2.直接挂接外部的温度传感器成品，使用物理加固的方法将传感器绑在主体上，在两者之间使用水密电缆实现指令与数据的交互通讯。这种方式占用体积较大。

3.使用嵌入式集成的方式，将温度传感器的外壳结构和自身的外壳结构整合在一起，可以得到更高的集成度、更可靠的连接效果、更加优良的流体特征，外观看起来也更加美观一些。

嵌入式温度传感器虽然在结构方面和主设备集成在了一起，实现了总体体积的小型化，但是传感器的电路仍然需要位置摆放。通常来说，温度传感器的温度敏感部分被封装在一个单独的外壳里面，而这个外壳被安装在仪器主体上。而信号处理电路板独立于温度敏感部分，被安装在仪器主体电路中，两者之间采用电缆连接的方式。

这样的形式带来的问题是：首先，增加了整个仪器设计的难度。仪器主体电路板需要开辟一个单独的空间给温度传感器电路板，并且对于温度电路板来所，还需要适量的安装孔来固定。在两个电路板之间，还需要有板至板接插件来实现信号的通讯。因此整个系统空间无法做的很小，对于一些空间有限、结构紧凑的系统来说，增加了设计困难。同时，由于有结构安装加固的需求，导致可靠性方面的降低，对于一些常规性监测实验，如冲击振动，需要在这个地方有额外的考虑，否则电路板很有可能在未来使用过程中脱落下来。另外，对于仪器设备方面来说，需要在设计初始就要考虑相关集成安装的问题，这样就增加了仪器设计的难度。其次，传感器敏感信号容易收到干扰，测量精度受到影响。由于在结构方面是分离的，前端的敏感元件和电路板之间需要用导线进行连接，将敏感元件的信号接入处理电路。在某些应用场合，这跟导线的长度会比较长，而且可能会穿过电学环境恶劣的区域，例如电动机模块、射频模块部分。因而这根导线中传输的是敏感元件的模拟信号，信号强度非常微弱，容易受到导线长短、接触电阻大小、空间电磁干扰强弱的影响。在某些仪器的应用过程中，传感器的测量准确程度收到严重影响，甚至是无法使用。再次，增加传感器使用和管理上的难度。将传感器的敏感元件部分与信号处理电路板进行分离安装，这样，一个设备就被拆解为两个部分，而不是一个整体。在使用和存储过程中，必须要一对一组合放置，保证敏感元件部分和处理电路板之间的对应关系，而不能打乱它们的顺序。由此就增加了管理上的困难。最后，敏感元件部分的结构不确定，造成多种应用场合的结构尺寸多种多样，导致温度传感器无法通用化。

技术实现要素：

(一)解决问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种深海应用的高度集成化温度传感器，整个温度传感器的各个部分被整合为一个整体，简化结构的同时提高了温度传感器的测量精度和抗干扰能力。

(二)技术方案

为实现上述增加温度探头的实际使用效果目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种深海应用的高度集成化温度传感器，包括温度传感器外壳、温度敏感元件、信号处理电路板、数字信号传输线缆，所述温度敏感元件和信号处理电路板封装于温度传感器外壳内，所述数字信号传输线缆将信号处理电路板与设备电路主板连接；所述温度传感器外壳包括信号处理电路板舱、安装部、温度传感器探针，所述安装部设于信号处理电路板舱和温度敏感元件容纳腔的中间，所述信号处理电路板舱填充灌封胶，所述温度传感器探针内部填充上半部分填充可固化的导热介质，下半部分填充灌封胶。

进一步的，所述信号处理电路板舱外表面设有螺纹，所述螺纹采用水密接插件形式。

进一步的，所述安装部为六角形。

进一步的，所述信号处理电路板舱与安装部连接处的外表面还开设有放置o型圈的o型圈槽。

进一步的，所述温度敏感元件由温度敏感电阻、两根金属导丝组成，所述金属导丝外设有屏蔽保护套，所述温度敏感电阻设于温度传感器探针内顶部。

进一步的，所述信号处理电路板包含模拟信号处理部分、数字信号处理部分、逻辑功能处理部分、温度敏感元件接口、数字通信接口。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种深海应用的高度集成化温度传感器，具备以下有益效果：

1.整个温度传感器的各个部分被整合为一个整体，传感器的安装只需要将传感器拧在仪器设备外壳上、线缆连接至仪器主体电路板上即可，而没有更多的其他部分的组件，结构简单，安装方便；

2.由于传感器将信号处理电路集成在了内部，外部不再需要额外的电路板，因此不需要仪器设备提供电路板安装空间，只需要留有通讯接口即可，降低了仪器整体设计的复杂程度；

3.不需要仪器设备提供电路板安装空间，可以进一步减小整个仪器的体积，使得小型化设计变得更加容易；

3.减少了系统的结构部件数量，减少了结构安装工作，总体上提高了设备的可靠性，降低整体失效的风险；

4.由于温度传感器将信号处理电路集成在了传感器内部，因此温度敏感元件距离处理电路距离非常近，而且金属导丝始终处于传感器金属外壳的内部，导丝上的微弱信号不容易收到外来的干扰。在测量准确度方面有更好的表现；

5.提高了传感器抗干扰能力。传感器最终提供给仪器设备的线缆，内部仅仅为电源和数字通讯线，它们具有较强的抗干扰能力，通讯过程不容易受到环境电子干扰影响，通讯线缆长度也可大大增加。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型温度传感器外壳的结构示意图；

图3为本实用新型温度敏感元件的结构示意图；

图4为本实用新型信号处理电路板的结构示意图；

图5为本实用新型信号处理电路板的原理图；

图6为本实用新型数字信号传输线缆的结构示意图；

图7为本实用新型与海洋仪器设备连接的结构示意图。

其中1温度传感器探针、2温度敏感元件、3安装部、4信号处理电路板、5信号处理电路板舱、6数字信号传输线缆、7灌装胶、8导热介质、9螺纹、10o型圈、11o型圈槽、12温度敏感电阻、131细的屏蔽保护套、132粗的屏蔽保护套、14金属导丝、15传感器端接口、16信号传输线缆主体、17设备端接口、18设备电路主板、19高度集成温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

一种深海应用的高度集成化温度传感器，如图1-7所示。

整个传感器总体上分为温度传感器外壳、温度敏感元件2、信号处理电路板4、数字信号传输线缆6四个部分。

温度传感器外壳包括温度传感器探针1、六角安装结构3、信号处理电路板舱5。六角安装结构3设于温度传感器探针1与信号处理电路板舱5之间。六角安装结构3的一侧为传感器支撑面。信号处理电路板舱5外表面设有多圈固定螺纹9，采用海洋仪器通用的水密接插件形式。信号处理电路板舱5与六角安装结构3连接处的外表面还开设有容纳o型圈10的o型圈槽11。

温度敏感元件2由温度敏感电阻12、金属导丝14、绝缘护套组成。金属导丝14有两根，现在其中一根上加装较细的屏蔽保护套131，然后把两根金属导丝合并，在外面整体加装较粗的屏蔽保护套132。屏蔽保护套近温度敏感电阻12一端延伸至金属导丝根部，另一端留一部分即可。

数字信号处理电路板4上面包含模拟信号处理部分、数字信号处理部分、逻辑功能处理部分、温度敏感元件接口、数字通信接口组成。

微型化的电路系统，相对于原有的独立式的电路来说，采用具有高度集成化的微型芯片，高密度的布线方法，多层电路板的设计，双面表贴形式，同时，在处理起内部建立了专有的bootloader，使得程序的烧录和更新使用工作接口，而不再占用一个单独的接插件，降低空间占用。最终整个温度信号处理电路体积缩小至6mm*22mm*3mm(w*l*h)，可以嵌入至非常狭小的空间。

电路系统总体上分为数字部分和模拟部分，两者之间进行了电气隔离，保证信号采集的精度。其中数字部分包括mcu处理器，负责信息处理、数学计算、任务管理等，数字接口电路将处理器的信息转换为常见的rs232、rs485或ttl电平协议，通过通讯线缆与外部进行通讯。数字电源部分负责给不同的数字模块提供能源。模拟部分包括信号调理电路，直接与温度敏感元件相连，驱动并获取温度敏感元件的微弱信号，并进行优化和调理。ad模数转换模块接收调理后的模拟信号，并转换为数字信号传输给mcu处理器。模拟电源管理向模拟部分的不同模块提供能源，并保证电压和电流的稳定性，减少噪声引入。

数字信号传输线缆由传感器端接口15、线缆主体16、设备端接口17组成，其中线缆主体内部含有四根导线。

温度敏感元件的温度敏感电阻12处于传感器探针1的内顶部，两根金属导丝14连接至信号处理电路板4的温度敏感元件接口部分。温度敏感电阻所在的空间被填充了可以固化的导热介质8。金属导丝14所在的空间的上半部分被填充了可以固化的导热介质，下半部分填充了质地坚硬的灌封胶。信号处理电路板处于传感器外壳的电路板舱内部，传输线缆的一部分延伸到电路板舱内部，被连接到了信号处理电路板的数字通信接口部分，整个电路板舱内部空间被填充了质地坚硬的灌封胶7。

传感器外壳的螺纹部分采用了海洋仪器通用的水密接插件形式，只要海洋仪器设备带有标准的水密接插件位置，就可以直接集成使用该温度传感器。

温度传感器的各个部分集成为一个整体，而不再是分立的部分。使用时，直接将整个温度传感器19安装在仪器设备预留的安装孔内，并拧紧，保证设备的水密性。在仪器设备给内部，直接将温度传感器的传输电缆6连接在仪器主体电路板18上即可，而不需要其他匹配的电路结构。同时传输线缆6中传输的电源信号和数字信号，具有很强的抗干扰性，传输线缆长度大大增加，而且可以跨越电气环境复杂的区域。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。