一种电声耦合水下接插器

1.本发明涉及水下电连接领域，具体涉及一种电声耦合水下接插器。


背景技术：

2.海洋科技的发展有力推动了水下科研及生产活动，导致水下设备需求不断增加。水下装备通过水下电缆供电，两者需要通过水下电接插器连接，由于存在水下高压、腐蚀性、介质导电性等诸多因素，水下电接插器的结构设计、材料、密封等要求很高，影响了其可靠性及寿命。
3.目前应用最广泛的电导型水下电接插器，由插座和插头两部分组成，通过特殊的水下密封结构设计，实现水下环境下插头和插座导电件的插拔连接，进行电力传输。为了能在水下可靠工作，电导型水下电接插器结构复杂，加工工艺要求高，成本昂贵，使用寿命受限。
4.此外，电导型水下接插器不仅要满足应用时插合状态的密封要求，还要满足动态密封要求——即在插针未插入时闭合密封，插针插入和插合到位过程中也要保持密封。因此，水下接插器需要解决插头插座纵向密封技术、水下动态插拔密封技术以及电气绝缘技术，具有材料特殊，结构设计及工艺加工要求高的特点，成本昂贵，而且使用寿命受限(200～500次)。另外，电导型水下接插器一般由rov等设备执行插拔，由于有特殊密封结构的配合设计，设备的操作精度要求较高，操作不便。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种能够有效解决水下密封问题的电声耦合水下接插器。
6.技术方案：本发明包括电声耦合器，电声耦合器包括电声接收器和电声发送器；所述电声接收器包括安装板，安装板上穿设第一预紧螺杆；所述第一预紧螺杆一端套设多个接收电极片、接收变幅杆，之后伸入接收连接头内部，且相邻的两个接收电极片之间设置第一压电陶瓷片；所述电声发送器包括环形电磁铁，环形电磁铁上穿设第二预紧螺杆；所述第二预紧螺杆处于环形电磁铁内部的部分套设多个发送电极片、发送变幅杆，之后伸入发送连接头内部，相邻的两个发送电极片之间设置第二压电陶瓷片；所述接收连接头与发送连接头相配合；当接收连接头插入发送连接头后，环形电磁铁得电，将安装板吸附，通过电磁力实现电声接收器和电声发送器的连接。
7.所述安装板上设置一圈通孔，用以平衡环形电磁铁内腔与外部的水压，避免产生内外压差，影响插拔操作。
8.所述电声接收器和电声发送器的工作频率保持一致，以保证能量传输效率最高。
9.还包括发送器电源和接收器电源，所述发送器电源与电声发送器连接，接收器电源与电声接收器连接。
10.所述发送器电源由升压/降压、功放及阻抗匹配电路组成，发送器电源输出交流
电，从而激励第二压电陶瓷片发生谐振。
11.所述接收器电源由整流滤波、稳压电路构成，用于将电声接收器输出的交流电进行整流稳压，根据输出需求通过升压/降压电路输出交流电或逆变电路输出直流电。
12.所述第一预紧螺杆的另一端安装第一固定块；所述安装板与水下设备的底板之间设有橡胶垫片，可以实现水下设备的密封及电接插器与水下设备之间的隔振。
13.所述接收电极片、发送电极片均采用环形铜电极片；所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均为纵向极化的pzt-4压电陶瓷片。
14.所述接收连接头采用凸型连接头，发送连接头采用凹型连接头，能够实现可靠连接。
15.本发明的工作原理为：待传输的电力，由发送器电源转换后，驱动电声发送器，电声发送器通过逆压电效应，在外界高频电能激励下，将外界电能转换为超声波机械能；电声接收器接收到电声发送器的超声波机械能量，通过正压电效应，将接收的超声波机械能转换为电能输出，由接收器电源进行滤波，整流，稳压后为设备供电。
16.有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：采用超声能量传输，没有暴露的导电器件，有效解决了水下密封难题；由于不需要复杂的密封结构，可提高水下接插器的可靠性及使用寿命，并使得其易于插拔操作。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图；
18.图2为本发明中电声接收器的结构示意图；
19.图3为本发明中电声发送器的结构示意图；
20.图4为本发明中电声接收器与电声发送器的装配图；
21.图5为图1中发送器电源的原理图；
22.图6为图1中接收器电源的原理图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施方式和说明书对本发明的技术方案进行详细介绍。
24.如图1所示，本发明的电声耦合水下接插器包括接收器电源2、电声接收器3、电声发送器4及发送器电源5；其中，电声接收器3和电声发送器4构成电声耦合器，通过压电效应，实现电声转换及传输，电声接收器3通过螺栓安装在水下设备的底板1上。电声接收器3和电声发送器4的工作频率保持一致，以保证能量传输效率最高。接收器电源2通过电缆与电声接收器3连接，发送器电源5通过电缆与电声发送器4连接；具体的，电声发送器4的供电电源来自发送器电源5，发送器电源5可以设置在电声耦合水下接插器本体外部的任意位置(包括水面上)，；电声接收器3与接收器电源2连接。发送器电源包括电源转换模块，将需要传输的电能转换为驱动压电陶瓷片45高频交流驱动电能。接收器电源将第一压电陶瓷片36产生的交流电进行滤波、整流、稳压，以输出稳定的电源。
25.如图2至图4所示，电声接收器3为固定部件，通过螺栓与水下装备固定连接。电声接收器3包括安装板34，安装板34上穿设第一预紧螺杆32；第一预紧螺杆32一端套设三个接收电极片35、接收变幅杆37，之后伸入接收连接头38内部，且相邻的两个接收电极片35之间
设置第一压电陶瓷片36；接收电极片35采用环形铜电极片，第一压电陶瓷片36可在电声发送器4的激励作用下，产生变形，通过压电效应，在环形铜电极片上产生电能，为外界供电。安装板34上设置通孔341，可以保证环形电磁铁41内腔水压和外部水压力相互平衡，避免产生内外压差，影响插拔操作。第一预紧螺杆32的另一端安装第一固定块33；安装板34与水下设备的底板1之间设有环形的橡胶垫片31，可以实现水下设备的密封及电接插器与水下设备之间的隔振。安装板34为非奥氏体不锈钢材料，可与电声发送器4的环形电磁铁41吸合，利用电磁力实现电声发送器4与电声接收器3的连接。接收连接头38采用凸型连接头。凸型连接头、接收变幅杆37、第一压电陶瓷片36、接收电极片35、第一固定块33通过第一预紧螺杆32连接固定。橡胶垫片31和安装板34上设计有安装孔，可以用螺栓将电声接收器3与水下设备外壳进行固定安装。
26.电声发送器4为活动部件，与发送器电源相连。电声发送器4包括环形电磁铁41，环形电磁铁41的侧面中央穿设第二预紧螺杆43；第二预紧螺杆43处于环形电磁铁41内腔的部分套设三个发送电极片45、发送变幅杆46，之后伸入发送连接头47内部，相邻的两个发送电极片45之间设置第二压电陶瓷片42；发送电极片45采用环形铜电极片。第二压电陶瓷片42由环形铜电极片供电激励，通过逆压电效应，产生纵振。第二预紧螺杆43处于环形电磁铁41外部的末端通过螺栓固定连接设置第二固定块44。接收连接头38采用凸型连接头，发送连接头47采用凹型连接头，接收连接头38与发送连接头47相配合，起到定位及支撑作用。第一压电陶瓷片36、第二压电陶瓷片42均为纵向极化的pzt-4压电陶瓷片，形状均为环形。
27.发送器电源5为功放匹配电路，将传输的电转化发送器激励交流电，为电声发送器4提供高频激励信号。如图5所示，发送器电源5由整流滤波，升压/降压，功放及阻抗匹配电路组成，按照输入电源的不同，可进行前期处理，其中直流输入的电源，经过逆变电路转换成交流电，最终将需要传输的电能转换为压电陶瓷高频驱动电能，从而激励第二压电陶瓷片42发生谐振。
28.接收器电源2为整流稳压电路，将高频交流电整流后输出为设备供电。如图6所示，接收器电源2由整流滤波，稳压电路构成，将接收器3输出的交流电进行整流稳压，根据输出的需求不同，可以通过升/降压电路输出交流电或逆变电路输出直流电，最终将压电陶瓷产生的交流电经过滤波、整流、稳压后，输出稳定的电能。
29.插拔过程：电声发送器4与电声接收器3的连接，依靠环形电磁铁41实现。当水下rov等操作工具将电声发送器4的凹型连接头插入电声接收器3的凸型连接头后，环形电磁铁41上电，环形电磁铁41吸住安装板34，电声发送器4与电声接收器3固定；当工作结束，操作工具夹持住电声发送器4后，环形电磁铁41失电，即可取下电声发送器4，连接使用较为方便。
30.工作原理：发送器电源的电源转换模块，将输入的待传输电能，经过整流滤波，升压/降压，功放及阻抗匹配等处理，将需要传输的电源转换为能激励发送器压电陶瓷谐振的交流电，输入至电声发送器。第二压电陶瓷片42工作在谐振状态，通过逆压电效应，将电能转为为纵向振动，并通过其变幅杆，将振幅进行调节。第一压电陶瓷片36与第二压电陶瓷片42的模态相同，能够保证电声能量转换效率最大，接收器变幅杆37将振幅调节控制后，将振动传递给第一压电陶瓷片36，通过压电效应，将振动能其转换为交流电，输出至接收器电源2，进行滤波，整流，稳压后为设备供电。