一种姿态自调整压力传感器装置及压力传感器漂移校正方法与流程

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种姿态自调整压力传感器装置及压力传感器漂移校正方法。

背景技术：

石英谐振式压力传感器由于其精度高、稳定性强等优点，已被广泛应用于海洋观测领域中，包括海床变形观测、海啸观测等。目前应用较多的石英谐振式压力传感器以石英谐振梁为力敏元件，通过波登管感受压力，并将压力转换成力作用在谐振梁上，改变谐振梁的振动频率，根据振动频率与压力的关系即可得出外界压力变化。

由于地球引力的作用，即使外界压力没有变化时，谐振梁的振动频率也会随着传感器姿态的改变而发生变化。而实际应用时，通常将压力传感器与其他仪器设备一同固定在观测平台上，将观测平台布放至海床面上，海床变形会改变压力传感器的姿态，使观测数据的准确度降低。因此，保证传感器在观测过程中始终保持同一姿态可减少数据的偏差。

此外，传感器的漂移也是影响数据准确性的重要误差来源。海底观测通常是长期观测，传感器会发生不规则的漂移。目前多采用经验公式计算传感器的漂移值，再从观测数据中减去漂移值，但计算值与实际值是否真正吻合不能确定。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种姿态自调整压力传感器装置及压力传感器漂移校正方法，可以实现海水观测时，压力传感器的姿态自调整，减少测量误差，并可在观测同时实现对测量值的漂移校正。

本发明是通过如下技术方案实现的：

提供一种姿态自调整压力传感器装置，包括密封舱和位于密封舱内的微控制单元、电池组、压力传感器，以及用于调整压力传感器姿态的调整机构，

密封舱上设有与外界连通且与密封舱密封固定的柔性接头，压力传感器通过其测量管与柔性接头连接并吊装在密封舱内，压力传感器通过调整机构与三轴加速度传感器连接，

其中：压力传感器、三轴加速度传感器和调整机构均与微控制单元电连接。

本方案利用三轴加速度传感器对压力传感器的位移和角度进行测量，可在压力传感器的位置发生变化后，计算出变化后的位移和角度，配合微控制单元计算出调整压力传感器至初始位置时调整机构的运动参数，并控制调整机构对压力传感器的姿态调整，使压力传感器能够在测量期间保持同一姿态进行测量，减小测量误差。

进一步的，所述的调整机构包括与压力传感器固定的支撑板，以及位于支撑板下方且固定在密封舱内的支撑台，支撑板与支撑台之间设置有不处于同一平面的三个电动推杆，每个电动推杆的两端分别与支撑板和支撑台转动连接，支撑台上对应其中两个电动推杆的端部分别安装有用于调整电动推杆转动角度的两个驱动电机，且两个驱动电机的驱动轴垂直设置，驱动电机及电动推杆均与微控制单元电连接。

进一步的，所述的测量管上连接有用于将测量管与密封舱连通的测量支管，测量支管上安装有第一电磁阀，测量管上安装有第二电磁阀，第一电磁阀和第二电磁阀均与微控制单元电连接。

通过控制第一电磁阀打开，第二电磁阀关闭，可以利用压力传感器对密封舱内气压进行测量，而第二电磁阀打开，第一电磁阀关闭后，压力传感器可以继续对外界海水压力进行测量，可实现不同压力的测量切换。

更进一步的，所述的密封舱内安装有由微控制单元控制启动对密封舱测压的气压表，且第一电磁阀打开时，压力传感器和气压表分别对密封舱内测压并将测量结果反馈至微控制单元存储。

气压表对密封舱的测量数据认定为标准值，通过阀门控制，压力传感器对密封舱的测量数据为测量值，通过测量值减去标准值就可计算出漂移值。

进一步的，所述的密封舱外还连接有水密接插件，水密接插件包括母头和公头，母头与密封舱内的控制电路连接并将控制电路形成断路，公头可与母头插接并接通控制电路。

控制电路在母头处设置断路，利用公头与母头插接配合接通电路，实现整个装置的供电，水密接插件的公头相当于一个短路，在与母头断路插接后，可接通电路，使用该方法造价低，操作简单，不需要防水开关。

作为优选，所述的柔性接头在密封舱外还连接有螺旋盘管，螺旋盘管及测量管内充满硅油。

螺旋盘管可以增长测量管的长度，并且容纳更多测量用的液压油，防止因为海水压力过大导致海水进入压力传感器内部，造成设备损坏。

作为优选，所述的密封舱在螺旋盘管外套设固定有高度不小于螺旋盘管长度的防护套筒，防护套筒在远离密封舱的一端固定有过滤网。

防护套筒的作用是为了保护螺旋盘管在运输过程中不被碰撞，同时保证在海底应用时，螺旋盘管能始终保持不动，不因水流等作用发生晃动，从而影响测量准确度。

作为优选，所述的防护套筒在远离密封舱的端部固定有过滤网。

过滤网是为了防止观测过程中海底泥砂进入沿螺旋盘管进入压力传感器内部。

一种姿态自调整压力传感器装置中压力传感器漂移校正方法，包括以下步骤：

第一步，在压力传感器测量期间，微控制单元每隔相同时间段打开第一电磁阀并关闭第二电磁阀，压力传感器和气压表同时对密封舱内测压并将测量结果反馈至微控制单元；

第二步，计算压力传感器测量值与气压表测量值的差的绝对值作为压力传感器的漂移值；

第三步，分别以时间和漂移值为坐标轴，做出测量期间压力传感器的漂移曲线；分别以时间和将压力传感器中对海水测量值为坐标轴，做出压力传感器的测量值曲线，压力传感器每个时间点测量的真实值等于该时间点的测量值减去该时间点的漂移值。

本发明的有益效果：

一、通过三轴加速度传感器、微控制单元和调整机构相互配合，可实现对压力传感器的姿态调整，保证密封舱在随观测平台发生位置偏移时，其内部的压力传感器可以保持姿态稳定，减少测量误差。

二、控制第一电磁阀和第二电磁阀的开闭，利用压力传感器和气压表分别对密封舱气压进行测量，得到压力传感器的漂移值，压力传感器对海水压力测量值与偏移值相减即可得到海水的真实压力值，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中a的放大结构示意图；

图3为图1中各个部件的电路结构示意图；

图4为本发明压力传感器装置刚接触海底时的内部结构示意图；

图5为图4中压力传感器装置稳定后的内部结构示意图；

图6为本发明的压力传感器位置调整后的内部结构示意图；

图7为图6中各个电动推杆的角度示意图。

图中所示：

1、密封舱，2、压力传感器，3、微控制单元，4、电池组，5、卡槽，6、柔性接头，7、测量管，8、螺旋盘管，9、防护套筒，10、过滤网，11、支撑板，12、支撑台，13、气压表，14、驱动电机，15、电动推杆，16、活动关节，17、插接母头，18、插接公头，19、三轴加速度传感器，20、第二电磁阀，21、第一电磁阀，22、测量支管。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

一种姿态自调整压力传感器装置，包括密封舱1和位于密封舱1内的微控制单元3、电池组4、压力传感器2以及用于调整压力传感器姿态的调整机构。

所述的调整机构包括与压力传感器2固定的支撑板11，以及位于支撑板11下方且固定在密封舱1内的支撑台12，支撑板11与支撑台12之间设置有不处于同一平面的三个电动推杆15，具体是指三个电动推杆15与支撑台12连接处的三个点位于同一个三角形的三个顶点上，作为优选，三角形选择为等边三角形。每个电动推杆15的两端分别与支撑板11和支撑台12转动连接，其中，电动推杆15的活动端即推杆端通过活动关节16与支撑板11转动连接，电动推杆15的固定端通过活动关节16与支撑台12转动连接，支撑台12上对应其中两个电动推杆15的端部分别安装有用于调整电动推杆15转动角度的两个驱动电机14，且两个驱动电机14的驱动轴垂直设置，驱动电机14的驱动轴可以带动电动推杆15固定端处的活动关节16转动，实现电动推杆15的转动。驱动电机14及电动推杆15均与微控制单元3电连接。

本实施例中的驱动电机14选用伺服电机，分别控制着活动关节16绕压力传感器的x轴和y轴方向转动，电动推杆15可调整自身长度，因此当压力传感器2的姿态发生改变时，三轴加速度传感器19将变化信息发送给微控制单元3，微控制单元3将调整指令发送给伺服电机和电动推杆15，进行姿态调整。

所述的密封舱1外部设有卡槽5，通过密封舱1与观测平台一起沉入海底进行测量，密封舱1外的卡槽5用于与观察平台固定安装。

密封舱1上设有与外界连通且与密封舱1密封固定的柔性接头6，压力传感器2通过其测量管7与柔性接头6连接并吊装在密封舱1内，柔性接头6与密封舱1接触处均保持密封，防止漏水。

测量管7为压力传感器2内部的波登管伸出压力传感器2外的部分，该部分通过柔性接头6在密封舱1外还连接有螺旋盘管8，如图1所示，螺旋盘管8和测量管7保持一致，螺旋盘管8及测量管7内充满硅油。所述的密封舱1在螺旋盘管8外套设固定有高度不小于螺旋盘管8长度的防护套筒9。所述的防护套筒9在远离密封舱1的一端固定有过滤网10，为了防止观测过程中海底悬浮的泥砂或其他大颗粒物质进入传感器内部。

所述的测量管7上连接有用于将测量管7与密封舱1连通的测量支管22，测量支管22上安装有第一电磁阀21，测量管7上安装有第二电磁阀20，第一电磁阀21和第二电磁阀20均与微控制单元3电连接。所述的密封舱1内安装有由微控制单元3控制启动对密封舱1测压的气压表13，且第一电磁阀21打开时，压力传感器2和气压表13分别对密封舱1内测压并将测量结果反馈至微控制单元3存储。

如图1所示，压力传感器2测量外界海水压力，此时第二电磁阀20打开，第一电磁阀21关闭；每过一段时间，第二电磁阀20关闭，第一电磁阀21打开，压力传感器2和压力表13测量舱体内部气压；之后第二电磁阀20打开，第一电磁阀21关闭，再继续测量海水压力。微控制单元3将传感器测量的气压与气压表13测量的气压相比较，可计算出漂移值，做出观测期间的漂移曲线，从原始数据中减去漂移值即为真实值。

压力传感器2在工作时能始终保持在同一姿态，实现方法：

假设支撑板11两活动关节16之间的距离为10cm，电动推杆15的初始长度为10cm，压力传感器2初始状态为竖直偏左30°，姿态变化后为竖直方向，并假定三个电动推杆15以等边三角形排列。

压力传感器2要调整到初始位置，三轴加速度传感器19将测得的位置变化发送给微控制单元3，微控制单元3将调整指令发送给两个伺服电机和三个电动推杆15，伺服电机和电动推杆15同时工作，伺服电机（中）控制电动推杆旋转31.98°，左侧电动推杆伸长6.04cm，中间电动推杆伸长4.16cm，右侧电动推杆伸长2.54cm，左侧和右侧的电动推杆从动旋转。姿态调整后，如图7所示，图中的16.04、14.16和12.54分别表示调整后的三个电动推杆的长度，而25.21°、31.98°和40.67°分别表示调整后电动推杆的角度。

如图6所示，本装置内部的微控制单元3、压力传感器2、驱动电机14、电动推杆15、第一电磁阀21、第二电磁阀20以及气压表13均与电源管理模块连接，并由电池组4供电，它们之间通过控制电路形成一个闭合回路。

所述的密封舱1外还连接有水密接插件，水密接插件包括插接母头17和插接公头18，插接母头17与密封舱1内的电路连接并将电路形成断路，插接公头18可与插接母头17插接并接通电路。

电路上设有一处断路，断路的两端分别与水密接插件的插接母头17上两个触点连接，插接公头18连接有一段闭合导线，插接公头18插入插接母头17后，利用插接公头18与插接母头17的触点结合可将断路接通。水密接插件的作用有：给锂电池充电、设置采集参数、读取数据和供电；当该装置工作时，将插接公头18插入插接母头17，即可让电池开始工作。其原理如图3所示：控制电路有一处断路，水密接插件的插接公头18相当于一个短路，当插接母头17与插接公头18连接的时候，该装置形成一个回路，便可以正常工作。

一种姿态自调整压力传感器装置中压力传感器漂移校正方法，包括以下步骤：

第一步，在压力传感器测量期间，微控制单元3每隔相同时间段打开第一电磁阀21并关闭第二电磁阀20，压力传感器2和气压表13同时对密封舱1内测压并将测量结果反馈至微控制单元3；

第二步，压力传感器2测量值与气压表13测量值的差的绝对值为压力传感器的漂移值；

第三步，分别以时间和漂移值为坐标轴，做出测量期间压力传感器2的漂移曲线；分别以时间和将压力传感器2中对海水测量值为坐标轴，做出压力传感器2的测量值曲线，压力传感器2每个时间点测量的真实值等于该时间点的测量值减去该时间点的漂移值。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。