专利名称：深海压力、流速流向传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋测量的传感技术，特别涉及深海水压及水流的流速流向测量、消除水流动影响的压力及水深测量、在水下机器人或潜水器运动中获取压力信息、流速流向信息、下潜速度信息的传感器。
背景技术：
先进的水下机器人或潜水器离不开性能可靠的传感器，深海压力及流速流向传感器便是机器人或潜水器走向深海所不能忽略的一种基本传感器。目前的压力传感器的工作原理较难胜任深海的工况要求，国内尚无能够直接用于深海的压力传感器产品，国外虽有水深仪在深海中应用的报道，但其价格昂贵，功能单一，不能测量海水的流速、水下机器人或潜水器的速度，较难消除水流对压力的影响，降低了水深测量的精度，较难保证水下机器人或潜水器在运动中获得可靠的压力及水深信号。
发明内容
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结构简单、性能可靠、能胜任于深海的深海压力、流速流向传感器。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是本实用新型的结构特点是设置柱状支座，并设置位于柱状支座外环的环状壳体，作为应变片的载体的弹性梁支承在环状壳体与柱状支座之间，四根弹性梁同处在一个垂直于支座轴线的平面上，并以支座轴线为中心、两两对称十字排布；设置纹波管式封闭油腔，所述封闭油腔由固联在支座顶部的圆盘状上端盖、位于支座下方的圆盘状下端盖、连接在上端盖与壳体上边缘之间的上波纹管，以及连接在壳体下边缘与下端盖之间的下波纹管所构成，腔内注入有绝缘油液，以应变片输出为传感器输出；在所述上端盖的中央，固联有凸起的以支座的轴线为回转中心的回转体。
本实用新型传感器的压力测量方法是以十字排布的四根弹性梁中处在同一直线上、并位于弹性梁同一侧面上的一组应变片信号为采集信号，将这一组应变片信号相加求和，获得压力信号。
本实用新型传感器的流速流向测量方法是以四根弹性梁上位于同一侧面上的四只应变片信号为采集信号，十字排布中处在同一直线上的两根弹性梁上应变片信号相减，分别获得相互垂直的两个方向上的流速分量；将所述相互垂直的两个方向上的流速分量通过流速的矢量叠加得到流速的大小和方向。
在深海的大水压作用下，下波纹管被压缩，封闭油腔内的压力随之增大，但由于波纹管本身有一定的刚性，使得封闭油腔内的油压与外部水压仍然存在压力差，这一差压通过上端盖传递至弹性梁，再由应变片转换成电信号进行电信号输出，因而获得压力信号。
海水的流动对回转体以及上端盖产生作用力，弹性梁上受到与之对应的力矩作用，利用弹性梁的变形与流速流向的关系，便可感知海水的流速流向，由应变片转换成电信号进行电信号输出。
与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在1、本实用新型可以通过控制下波纹管的刚性，使得封闭油腔内外压力差在深海时仍能达到一个有利于测量的范围，从而使得传感器更易于密封、可靠且弹性体的线性度较好，保证了传感器在深海的任意深处能够正常工作。
2、本实用新型通过海水流动对凸起的回转体产生作用力，继而测得流速流向，方法简单可靠。
3、本实用新型通过适当的应变片信号的采集和处理，可以获得消除海水流速影响的水压，以及获得消除海水压力影响的海水的流速大小及方向。
4、本实用新型利用波纹管及端盖封包弹性体，可以避免塑料及橡胶材料的使用，使得传感器能够长期工作在海水中。
5、本实用新型弹性梁的十字结构使弹性体加工、贴片方便，且固有频率较高，便于压力及流速流向传感器集成一体。
6、本实用新型以较小的体积、简单的结构、以及低廉的成本集压力传感器与流速流向传感器于一体。
7、本实用新型通过在水下机器人和潜水器的适当位置上进行设置，可以获得消除海水流速影响、消除水下机器人或潜水器下潜速度影响后的该水深处的压力，进而推算出水下机器人或潜水器所处的准确深度，并且可以获得该水深处海水的流速与方向，或水下机器人、潜水器下潜、上升的速度，以及水平前进、后退的速度。
8、本实用新型用于海洋测量，可以实现深海的大水压及流速流向测试，并可以补偿水流对压力的影响，提高压力测量的准确性。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型弹性梁及应变片设置示意图。
图中标号1柱状支座、2环状壳体、3弹性梁、31左梁、32右梁、33前梁、34后梁、4应变片、41左应变片、42右应变片、43前应变片、44后应变片、5上端盖、6下端盖、7上波纹管、8下波纹管、9回转体。
具体实施方式
作为压力传感器及其在压力测量上的应用。
参见图1、图2，本实施例设置柱状支座1，并设置位于柱状支座1外环的环状壳体2，作为应变片载体的弹性梁3支承在壳体2与支座1之间，四根弹性梁3同处在一个垂直于支座轴线的平面上，并以支座轴线为中心、两两对称十字排布(图2所示)。
设置由固联在支座顶部的圆盘状上端盖5、位于支座下方的圆盘状下端盖6、连接在上端盖5与壳体2上边缘之间的上波纹管7，以及连接在壳体2的下边缘与下端盖6之间的下波纹管8所构成封闭的油腔，腔内注入有绝缘油液，以应变片3的输出为传感器输出。
本实施例中，在上端盖5的中央，具有凸起的以支座轴线为回转中心的回转体9，该回转体9与上端盖5固联。
具体实施中，针对作为应变片载体的每根弹性梁3，在弹性梁3朝向上端盖5的一个侧面上，以及在弹性梁3朝向下端盖6的一个侧面上，可以分别设置应变片4。图2示出了位于同一个侧面上的各应变片，按图2所示的方向，包括有左梁31上的左应变片41、右梁32上的右应变片42、前梁33上的前应变片43和后梁34上后应变片44，从工艺及信号处理方面考虑，各应变片是以柱状支座1的轴线为中心，对称设置。
压力信号的测量方法参见图2，采集十字排布的四根弹性梁中处在同一直线上、并位于弹性梁的同一个侧面上的一组应变片信号，将这一组应变片信号相加求和，获得压力信号。图2所示，以左应变片41和右应变片42为一组，采集信号相加求和获得压力信号；或者，以前应变片43和后应变片44为一组，同样采集信号相加求和获得压力信号。
为了提高测量精度，可以同时测量出多组处在同一直线上、并位于弹性梁同一侧面上的两只应变片信号并相加求和。包括对于十字排布中另一直线方向上的两根弹性梁上应变片信号的采集计算，以及对于处在弹性梁另一个侧面上的另外两组应变片信号的采集计算。
流速流向信号的测量方法以四根弹性梁上位于同一侧面上的四只应变片信号为采集信号，十字排布中处在同一直线上的两根弹性梁上应变片信号相减，分别获得相互垂直的两个方向上的流速分量；将相互垂直的两个方向上的流速分量通过流速的矢量叠加得到流速的大小和方向。
图2所示，采集四根弹性梁上处在同一个侧面上各应变片信号，包括左应变片41、右应变片42、前应变片43和后应变片44各信号，以左应变片41与右应变片42之信号相减，获得该方向上的流速分量；以前应变片43与后应变片44之信号相减，获得垂直的另一个方向上的流速分量，通过流速信号的矢量叠加得到流速的大小和方向。
为了提高灵敏度，可以同时对处在弹性梁另一个侧面上的四只应变片信号进行采集，并作出相应的处理。某一方向上的流速分量的获得是以两个对应位置上弹性梁两个侧面上的信号的差值相减求得。具体如图3所示，首先，以左应变片41的信号与左梁31另一个侧面上相应位置处的应变片信号相减，获得左侧值；以右应变片42的信号与右梁32另一个侧面上相应位置处的应变片信号相减，获得右侧值；再以左侧值与右侧值相减，即可获得对应于该左右方向上的流速分量。
本实施例传感器用于水下机器人、潜水器，可以消除海水流速及水下机器人、潜水器下潜速度对测量带来的影响。
具体实施中，可以在水下机器人或潜水器相互垂直的两个方向上各安装本实施例传感器，包括支座轴线与水下机器人或潜水器重力线平行的竖直传感器，以及与该方向垂直的水平传感器。其中，竖直传感器用于检测水平方向的海水流动或水下机器人水平方向上的运动速度；水平传感器用于测量水下机器人或潜水器的下潜速度。因此，通过对水平传感器消除海水的流速影响，或对竖直传感器消除下潜速度的影响便可获得该水深处的压力，推算出水下机器人或潜水器所处的水深。若针对水下机器人或潜水器在其头部与尾部按相反的朝向各布置一个水平传感器；在其顶部和底部按相反的方向各布置一个竖直传感器，则既可以测量水下机器人或潜水器下潜、上升的速度，又可以方便地测出水流或水下机器人或潜水器水平前进、后退的移动速度。
权利要求1.一种深海压力、流速流向传感器，其特征是设置柱状支座(1)，并设置位于柱状支座(1)外环的环状壳体(2)，作为应变片(4)的载体的弹性梁(3)支承在环状壳体(2)与柱状支座(1)之间，四根弹性梁(3)同处在一个垂直于支座轴线的平面上，并以支座轴线为中心、两两对称十字排布；设置纹波管式封闭油腔，所述封闭油腔由固联在支座顶部的圆盘状上端盖(5)、位于支座下方的圆盘状下端盖(6)、连接在上端盖(5)与壳体(2)的上边缘之间的上波纹管(7)，以及连接在壳体(2)的下边缘与下端盖(6)之间的下波纹管(8)所构成，腔内注入有绝缘油液，以应变片输出为传感器输出；在所述上端盖(5)的中央，固联有凸起的以支座轴线为回转中心的回转体(9)。
专利摘要深海压力、流速流向传感器，其特征是设置柱状支座及位于柱状支座外环的环状壳体，作为应变片载体的弹性梁支承在壳体与支座之间，四根弹性梁同处在一个垂直于支座轴线的平面上，并以支座轴线为中心、两两对称十字排布；由上端盖、下端盖、连接在上端盖与壳体上边缘间的上波纹管及连接在壳体下边缘与下端盖间的下波纹管构成注有绝缘油的封闭油腔，以应变片输出采集信号，在上端盖中央固联有凸起的以支座轴线为回转中心的回转体。本实用新型用于海洋测量，可以实现深海的大水压及流速流向测试，并可以补偿水流对压力的影响，提高压力测量的准确性。
文档编号G01D21/02GK2833543SQ20052007385
公开日2006年11月1日 申请日期2005年7月22日 优先权日2005年7月22日
发明者王勇, 刘正士, 葛运建, 陆益民, 何凯, 郑红梅 申请人:合肥工业大学