一种在全海深应用的拉线式位移传感器及其应用方法与流程

本发明涉及一种在全海深应用的拉线式位移传感器及其应用方法，属于深海探测设备技术领域。

背景技术：

拉线式位移传感器是将物体的直线运动转换为可测量、可记录、可传输的电信号一种电子元件，其制造精度高，安装方便，占用空间小，可制作较大量程，适合直线运动也适合非直线运动，能适应恶劣环境，具有光纤、光栅、电磁等类型的位移传感器不可比拟的优势。因为上述特点，拉线式位移传感器被广泛用于各行各业，在海洋探测领域的很多地方采用了拉线式位移传感器进行测量物体的位移，尤其是在深海环境中工作的水下机器人、载人深潜器的液压缸或者液压源油箱等设备中需要测量较大量程或非直线运动的场合。

位移传感器一般采用多圈电位器或旋转编码器，在水中工作时外部的水如果进入设备内，会引起电气故障。现有的拉线式位移传感器水密性较差，在深海中容易渗水，承压小，因此不适宜在深海使用。而且，位移传感器在水下工作，在水阻力以及密封阻力等因素的影响下，拉线在回旋弹簧的弹簧力较小时会因为弹簧力不能克服上述阻力而发生不收缩或收缩不完全现象，导致设备工作受到影响。为此，需要对现有的拉线式位移传感器进行改进，以适于在深海使用。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术所存在的问题，通过提供一种在全海深应用的拉线式位移传感器及其应用方法，提高了拉线端缩回的可靠性，解决了拉线式位移传感器在全海深环境下工作的承压问题。

本发明通过采取以下技术方案实现上述目的：

一方面，本申请提供了一种在全海深应用的拉线式位移传感器，包括呈直线排列的线轮舱、回旋弹簧舱和信号转换舱，所述回旋弹簧舱和信号转换舱密封设置；

所述线轮舱内设置有绕线轮组件，所述绕线轮组件包括轮轴和同轴固定在轮轴上的轮盘，所述线轮舱的侧壁上开设有第一出线孔和第二出线孔，所述轮盘上缠绕有拉线，所述拉线的两端构成拉线端和回线端，所述拉线的拉线端和回线端从轮盘上反向绕出后分别从第一出线孔和第二出线孔伸出至线轮舱外；

进一步的，所述拉线端和回线端分别以切线方向从第一出线孔和第二出线孔绕出，减小拉线与出线孔的摩擦。

所述回旋弹簧舱内设置有回旋弹簧，所述轮轴伸至回旋弹簧舱内，所述回旋弹簧卷绕在轮轴的外侧，所述回旋弹簧的内端和外端分别与轮轴和回旋弹簧舱的内壁固定连接；

所述信号转换舱内设置有位移传感器，所述轮轴与位移传感器的输入轴传动连接。

进一步的，所述轮轴通过联轴器或过渡轴与位移传感器的输入轴传动连接。

在优选的实施方式中，缠绕在所述轮盘上的拉线的某一点被固定在轮盘上。

在优选的实施方式中，所述轮盘上分隔出分别与第一出线孔和第二出线孔对应的第一绕线区和第二绕线区，所述拉线缠绕在第一绕线区和第二绕线区上，且拉线的拉线端和回线端分别从第一绕线区和第二绕线区绕出后再分别从第一出线孔和第二出线孔伸出至线轮舱外。

进一步的，所述轮盘上设置有挡板，用以将轮盘分隔出第一绕线区和第二绕线区。

更进一步的，所述第一绕线区和第二绕线区分隔处的拉线的某一点被固定在轮盘上。通常，所述拉线端和回线端上设置接线头，方便与被测物体连接。

在优选的实施方式中，所述线轮舱开设水压平衡孔，用以与线轮舱外流体导通。

在优选的实施方式中，所述信号转换舱的部分侧壁设置为弹性壁，所述信号转换舱内可填充绝缘油。

在优选的实施方式中，所述弹性壁向信号转换舱外侧凸起。

在优选的实施方式中，所述线轮舱和回旋弹簧舱设置在第一舱体内，第一舱体的内腔通过隔板分隔为线轮舱和回旋弹簧舱，所述轮轴密封穿过所述隔板，所述第一舱体的其中一个端口封堵有第一端盖，另一个端口与信号转换舱密封连接。

进一步的，所述第一端盖上设置水压平衡孔。

更进一步的，所述隔板的边缘与第一舱体的内壁固定连接，优选与第一舱体一体制成。

更进一步的，所述轮轴上设置第一轴肩和第二轴肩，所述第一端盖上设置第一安装孔，所述隔板上设置第二安装孔，第一轴肩和第二轴肩处的轮轴外侧套设有第一轴套和第二轴套，第一轴套和第二轴套分别与第一安装孔和第二安装孔紧密转动连接，实现轮轴的轴向和径向定位，并防止轮轴与安装孔直接滑动接触导致磨损严重。

更进一步的，所述第一安装孔和第二安装孔内均为阶梯孔，用于限止所述轮轴的轴向移动。

在优选的实施方式中，所述信号转换舱的其中一个端口与第一舱体密封连接，另一个端口设置所述弹性壁，所述弹性壁通过第二端盖与信号转换舱压紧密封，所述第二端盖上设置水压平衡孔。

进一步的，所述信号转换舱由第二舱体和第三舱体对接形成，所述位移传感器固定在第二舱体的内壁，所述第二舱体的其中一个端口与第一舱体密封连接，另一个端口与第三舱体的其中一个端口密封连接，第三舱体的另一个端口设置所述弹性壁。

更进一步的，靠近第一舱体的第二舱体端部封闭有壁板，所述壁板与第一舱体一体制成，所述壁板上设置通孔，供轮轴穿过进入到第二舱体与位移传感器的输入轴传动连接。

更进一步的，所述轮轴与第二安装孔的连接面之间、第一舱体与第二舱体的连接面之间、第二舱体与第三舱体的连接面之间均通过密封圈密封连接；所述弹性壁通过设置在其内表面边缘的密封圈与第三舱体密封连接。

在优选的实施方式中，所述在全海深应用的拉线式位移传感器，还包括至少一个涨紧导向轮，所述涨紧导向轮用于供拉线的拉线端或回线端绕过。

另一方面，本申请还提供了上述在全海深应用的拉线式位移传感器的应用方法，包括以下步骤：将所述拉线的测量端和回线端分别固定在被测物体上，并使拉线绕过至少一个涨紧导向轮后保持张紧状态，所述涨紧导向轮与绕线轮舱保持相对静止。

本申请提供的在全海深应用的拉线式位移传感器及其应用方法的有益效果包括但不限于：

(1)拉线的两端分别从线轮舱引出作为拉线端和回线端，拉线端和回线端与被测对象、涨紧导向轮、轮盘之间构成闭环缠绕，在被测对象返程时，相当于给回线端施加了外力，同回旋弹簧的弹簧力一起作用带动轮盘反向转动，使得拉线端的拉线重新缠绕的轮盘上，拉线端顺利返回到测量原点或指定位置，保证了拉线端缩回的可靠性；

(2)信号转换舱采用弹性壁的自身变形对外界水压进行自动补偿，解决了拉线式位移传感器在全海深环境下工作的承压问题，提高了密封性能，保证了传感器在全海深可靠工作，可在全海深海域范围内(11000米)进行探测应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请涉及的拉线式位移传感器的剖视结构示意图；

图2为本申请涉及的拉线式位移传感器中第一舱体和第一端盖的剖视结构示意图；

图3为本申请涉及的拉线式位移传感器中轮轴和轮盘的剖视结构示意图；

图4为本申请涉及的拉线式位移传感器的安装示意简图；

图5为本申请涉及的拉线式位移传感器的工作原理简图；

图中，100、线轮舱；110、轮轴；111、第一轴肩；112、第二轴肩；113、过渡轴；

120、轮盘；121、螺钉；122、挡板；

130、第一出线孔；131、第一绕线区；

140、第二出线孔；141、第二绕线区；

150、拉线端；160、回线端；170、回旋弹簧；

200、回旋弹簧舱；

300、信号转换舱；310、位移传感器；

400、被测对象；

500、涨紧导向轮；510、水压平衡孔；520、弹性壁；530、第二端盖；

600、水密插座；700、密封圈；

10、第一舱体；101、隔板；1011、第二安装孔；1012、第二轴套；102、第一端盖；1021、第一安装孔；1022、第一轴套；

20、第二舱体；

30、第三舱体。

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，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施。因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图3中所示，本申请提供的在全海深应用的拉线式位移传感器，包括呈直线排列的线轮舱100、回旋弹簧舱200和信号转换舱300；其中，

线轮舱100内设置有绕线轮组件，具体的，绕线轮组件包括轮轴110和同轴固定在轮轴110上的轮盘120，线轮舱100的侧壁上开设有第一出线孔130和第二出线孔140，轮盘120上缠绕有拉线，拉线的两端构成拉线端150和回线端160，拉线的拉线端150和回线端160从轮盘120上反向绕出后分别从第一出线孔130和第二出线孔140伸出至线轮舱100外；

进一步的，拉线端150和回线端160分别以切线方向从第一出线孔130和第二出线孔140绕出，减小拉线与出线孔的摩擦，提高设备的使用寿命。

回旋弹簧舱200内设置有回旋弹簧170，轮轴110伸至回旋弹簧舱200内，回旋弹簧170卷绕在轮轴110的外侧，回旋弹簧170的内端和外端分别与轮轴110和回旋弹簧舱200的内壁固定连接；回旋弹簧舱200需要密封设置，避免海水进入回旋弹簧170仓内导致回旋弹簧170回旋阻力增大。

信号转换舱300内设置有位移传感器310，轮轴110与位移传感器310的输入轴传动连接，信号转换舱300需要密封设置，避免海水进入信号转换舱300内导致位移传感器310损坏。

拉线端150和回线端160是相对的，拽动时使回旋弹簧200收紧的为拉线端。

在优选的实施方式中，在全海深应用的拉线式位移传感器，还包括至少一个涨紧导向轮500，涨紧导向轮500用于供拉线的拉线端150或回线端160绕过。

进一步的，涨紧导向轮500安装于测量设备上的固定支架上，与线轮舱100保持相对静止，保证设备正常工作。涨紧导向轮500的数量不限于一个，实际应用时根据拉线的引出方向及被测对象400的运动方向确定其数量和位置。

另一方面，本申请还提供了上述在全海深应用的拉线式位移传感器的应用方法，包括以下步骤：将拉线的拉线端150和回线端160分别固定在被测对象400上，并使拉线绕过至少一个涨紧导向轮500后保持张紧状态，涨紧导向轮500与线轮舱100保持相对静止。

如图4及图5中所示，本申请提供的拉线式位移传感器在使用时，按照如下步骤操作：

(1)先将拉线式位移传感器安装在测量设备上并固定，安装时需保证拉线的直线运动轨迹和被测对象400的运动轴线一致；

(2)将拉线的拉线端150和回线端160都固定在被测对象400上，并且拉线绕过涨紧导向轮500，使拉线张紧在涨紧导向轮500和轮盘120之间；通常，拉线端150和回线端160上设置接线头，方便与被测对象400连接；

(3)确定位移传感器的测量原点并调整位移传感器310电信号为零；

(4)拉线式位移传感器随测量设备一块下水，被测对象400运动，随着被测对象400运动远离测量原点，拉线端150的拉线从轮盘120上放出，轮盘120及轮轴110随之转动，安装在轮轴110上的回旋弹簧170向旋紧方向转动，转矩增大；同时，因轮盘120转动，回线端160的拉线将缠绕在轮盘120上，并且拉线端150跟随被测对象400向外伸出的长度与回线端160回缠到轮盘120上的长度相等，形成一个闭环；轮轴110带动位移传感器310输入轴转动，编码器同步旋转，实现位移数据信号转换和记录；

(5)当被测对象400最大行程时运动停止，被测对象400返程，带动拉线的拉线端150开始缩回缠绕在轮盘120上，相当于给回线端160施加了外力，同回旋弹簧170的弹簧力一起作用带动轮盘120反向转动，使得拉线端150的拉线重新缠绕的轮盘120上，拉线端150顺利返回到测量原点或指定位置，保证了拉线端150缩回的可靠性。

可以理解的，轮盘120上缠绕的拉线的总长度应当大于被测对象400的位移，位于第一出线孔130和第二出线孔140外的未缠绕在轮盘120上的拉线长也应该大于被测对象400的位移。

此外，本申请提供的拉线式位移传感器的拉线在涨紧导向轮500及回旋弹簧170转矩作用下，保持一定的张力，能在轮盘120上有序排列，不会出现乱绕和错绕现象，保证了拉线式位移传感器工作的可靠性。

再次参考图1-图3，进一步的，轮轴110通过联轴器或过渡轴113与位移传感器310的输入轴传动连接，通常为键连接。

在优选的实施方式中，为了防止拉线在拽动过程中与轮盘120之间产生滑移导致测量失败，本申请提供的拉线式位移传感器将缠绕在轮盘120上的拉线的某一点被固定在轮盘120上。进一步的，拉线上的某一点通过螺钉121固定在轮盘120上，轮盘120上设置有固定螺钉121的螺钉安装孔。

在优选的实施方式中，轮盘120上分隔出分别与第一出线孔130和第二出线孔140对应的第一绕线区131和第二绕线区141，拉线单层缠绕在第一绕线区131和第二绕线区141上，且拉线的拉线端150和回线端160分别从第一绕线区131和第二绕线区141绕出后再分别从第一出线孔130和第二出线孔140伸出至线轮舱100外。

进一步的，轮盘120上设置有挡板122，用以将轮盘120分隔出第一绕线区131和第二绕线区141。

进一步的，第一绕线区131和第二绕线区141分隔处的拉线的某一点被固定在轮盘120上，该固定点两侧的拉线分别缠绕在第一绕线区131和第二绕线区141上。对于拉线整体来讲，其以一个方向缠绕在轮盘120上；对拉线端150和回线端160各自来讲，拉线端150和回线端160是反向在第一绕线区131和第二绕线区141上进行缠绕或放出的。

在优选的实施方式中，线轮舱100开设水压平衡孔510，用以与线轮舱100外流体导通。

在优选的实施方式中，信号转换舱300的部分侧壁设置为弹性壁520，信号转换舱300内充满有绝缘油，通常为硅油，硅油具有化学性能稳定且电绝缘性良好的特性。

在优选的实施方式中，弹性壁520向信号转换舱300外侧凸起。

在优选的实施方式中，线轮舱100和回旋弹簧舱200设置在第一舱体10内，第一舱体10的内腔通过隔板101分隔为线轮舱100和回旋弹簧舱200，所述轮轴110密封穿过隔板101，第一舱体10的其中一个端口封堵有第一端盖102，另一个端口与信号转换舱300密封连接。

进一步的，第一端盖102上均匀设置上述水压平衡孔510，线轮舱100的侧壁上也开设水压平衡孔510。拉线式位移传感器工作时，随测量设备进入测量环境，海水通过第一端盖102上的水压平衡孔510进入线轮舱100，使线轮舱100内充满海水，使线轮舱100内外压力平衡，保证绕线轮组件的平稳工作。

更进一步的，隔板101的边缘与第一舱体10的内壁固定连接，优选与第一舱体10一体制成。

更进一步的，轮轴110上设置第一轴肩111和第二轴肩112，第一端盖102上设置第一安装孔1021，隔板101上设置第二安装孔1011，第一轴肩111和第二轴肩112处的轮轴110外侧套设有第一轴套1022和第二轴套1012，第一轴套1022和第二轴套1012分别与第一安装孔1021和第二安装孔1011紧密转动连接，实现轮轴110的轴向和径向定位，并防止轮轴110与安装孔直接滑动接触导致磨损严重。其中，第一轴套1022和第二轴套1012选用耐腐蚀、高润滑性能的非金属材质。

更进一步的，第一安装孔1021和第二安装孔1011内均为阶梯孔。

在优选的实施方式中，信号转换舱300的其中一个端口与第一舱体10密封连接，另一个端口设置弹性壁520，弹性壁520通过第二端盖530与信号转换舱300密封压紧，第二端盖530起到防护弹性壁520的作用。第二端盖530上设置水压平衡孔510，拉线式位移传感器工作时，随测量设备进入测量环境，海水通过第二端盖530上的水压平衡孔510进入弹性壁520和第二端盖530之间，使弹性壁520和第二端盖530之间的空腔内充满海水。

信号转换舱300内充满硅油，当弹性壁520两侧压力不平衡时，弹性壁520将利用自身形变减小信号转换舱300内外压差，提高信号转换舱300承压能力，防止信号转换舱300渗水。例如，当外界海水压力大于信号转换舱300内硅油压力时，弹性壁将向信号转换舱300内侧移动，使硅油体积压缩压力增大，减小信号转换舱300内外压力差。

进一步的，信号转换舱300的侧壁上设置水密插座安装孔，用于安装水密插座600，水密插座600与位移传感器310电连接，用于位移信号的输出。制造该拉线式位移传感器时，利用水密插座安装孔在常压下向信号转换舱300内注满硅油排空舱体内气体，注油完成后将水密插座600与电连接后安装在水密插座安装孔上。

通常，第一端盖102和第二端盖530分别采用紧固件(通常采用不锈钢螺钉)与对应的舱体连接。

进一步的，弹性壁520采用耐腐蚀的非金属材质，通常选用丁晴橡胶，邵氏a硬度不大于60，拉伸长度小于20mm，拉断伸长率不小于300％。进一步的，弹性壁520的外形大致呈弓形向信号转换舱300外侧凸起。

进一步的，相对于目前市场上的拉线式位移传感器多为单一整体结构，即绕线轮组件、回旋弹簧170、位移传感器310等元件在同一壳体内安装，一旦元件损坏拆卸过程十分复杂，维修很不方便且制造成本昂贵，本申请提供的拉线式位移传感器中，信号转换舱300由第二舱体20和第三舱体30对接形成，位移传感器310采用紧固件(通常采用不锈钢螺钉)固定在第二舱体20的内壁，第二舱体20的其中一个端口与第一舱体10密封连接，另一个端口与第三舱体30的其中一个端口密封连接，第三舱体30的另一个端口设置弹性壁520。

更进一步的，靠近第一舱体10的第二舱体20端部封闭有壁板，壁板与第一舱体10一体制成，壁板上设置通孔，供轮轴110穿过进入到第二舱体20与位移传感器310的输入轴传动连接。

更进一步的，第一舱体10与第二舱体20之间、第二舱体20与第三舱体30之间采用紧固件(通常采用不锈钢螺钉)连接。

更进一步的，由于在全海深环境下工作，要保证设备的水密性，因此在轮轴110与第二安装孔1011的连接面之间、第一舱体10与第二舱体20的连接面之间、第二舱体20与第三舱体30的连接面之间均通过密封圈700密封连接；弹性壁520通过凸出设置在其内表面边缘的密封圈700与第三舱体30密封连接。可以理解的，连接面上应设置密封槽，供密封圈700紧密嵌入，形成密封。通常，密封圈700可选择o形密封圈。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。