一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法，包括外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；滑动介电体位于感应电极包络的空间内，滑动介电体用于轴向运动改变滑动介电体与感应电极的接触面积产生电信号；平衡机构设置于滑动介电体与外壳之间，用于平衡感知单元内部气压与水下压力；信号采集器用于收集电信号，计算水下压力的大小和变化速度，进而可以得出水下压力传感器所受压力情况；采用摩擦纳米发电机技术，直接将水压信号转变为电信号，以实现自驱动；还具有结构强度高，不易损坏，稳定性好，环境适应能力强等特点。环境适应能力强等特点。环境适应能力强等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法


[0001]本专利技术涉及水下探测领域，特别是涉及一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法。

技术介绍

[0002]海洋探测是海洋科学中的重要领域，其中水压与深度信息是至关重要的。海水深度作为海洋环境中最基本、最重要的物理量之一，对于水下航行器的机动控制、水下管道焊接锈蚀研究、深海探测以及水位变化监测等方面具有重要意义。随着海洋探测技术的不断发展，如何更精确地测量潜水器的位置和运动信息已成为水下探测技术面临的巨大挑战，尤其是在昏暗、地形复杂以及生态复杂的水下环境中。因此，提高水压/深度信息的测量精度和可靠性，对于推动海洋探测技术的发展具有重要意义。
[0003]目前，对于水下的深度测量主要采用温盐深仪(CTD)，CTD是一种用于测量海水电导率(Conductivity)、温度(Temperature)和压力(Pressure)的海洋学仪器。其中，盐度(Salinity)由电导率推算得到，深度(Depth)可以通过压力计算得到。但目前水下压力测量技术存在体积庞大、造价成本高昂、人工维护成本高等缺点。
[0004]此外，其他常用的海洋探测方法(如声呐技术)也面临着如生物友好性差、成本高、能耗高、需要大量维护等挑战。因此，迫切需要开发一种低成本、低能耗、结构精简的新型水下压力传感器，以满足日益增长的海底探测、救援和防御等需求。

技术实现思路

[0005]为了解决现有的水下压力传感器成本高、能耗高、需要大量维护的问题，本专利技术提出了一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法。
[0006]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0007]一种水下压力传感器，包括外壳和信号采集器，以及设置于所述外壳内部的感知单元；
[0008]所述外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；
[0009]所述感知单元包括感应电极、滑动介电体、平衡机构；
[0010]所述感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；
[0011]所述滑动介电体位于所述感应电极包络的空间内，所述滑动介电体用于轴向运动改变所述滑动介电体与所述感应电极的接触面积产生电信号；
[0012]所述平衡机构设置于所述滑动介电体与所述外壳之间，用于平衡所述感知单元内部气压与水下压力；
[0013]所述信号采集器用于收集所述电信号，计算水下压力的大小和变化速度。
[0014]在一些实施例中，所述外壳与所述感知单元之间设置有圆柱壳，所述圆柱壳开口角度不大于330
°
，所述圆柱壳的内壁用于设置所述感应电极，方便所述感应电极的安装。
[0015]在一些实施例中，在所述圆柱壳底部设置防侧弯结构，能够避免所述平衡机构侧
弯。
[0016]在一些实施例中，所述平衡机构为弹簧。
[0017]在一些实施例中，所述水下压力传感器与外界液体之间设置有密封膜，所述密封膜设置于所述水下压力传感器的底部，用于隔绝所述感知单元与外界液体的接触。
[0018]在一些实施例中，所述滑动介电体的高度为8mm，底面直径为15mm，其顶部与所述平衡机构连接。
[0019]在一些实施例中，所述外壳为圆柱形，所述滑动介电体为采用聚四氟乙烯(PTFE)材质的圆柱体。
[0020]在一些实施例中，所述感应电极为直角三角形结构的铝薄膜。
[0021]本专利技术还提出了一种水下压力大小测量方法，采用上述的水下压力传感器测量水下压力大小，包括如下步骤：
[0022]A1：预先测定所述水下压力传感器的输出电压与所述滑动介电体所处位置的关系曲线；
[0023]A2：通过检测获得所述滑动介电体在待测定运动位置时的输出电压数据；
[0024]A3：根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定所述水下压力传感器所受压力与水下垂直空间坐标。
[0025]本专利技术还提出了一种水下压力变化速度测量方法，采用上述的水下压力传感器测量水下压力变化速度，包括如下步骤：
[0026]B1：预先测定所述水下压力传感器的输出电流与所述滑动介电体运动速度的关系曲线；
[0027]B2：通过检测获得所述滑动介电体在待测定运动速度时所述水下压力传感器的输出电流数据；
[0028]B3：根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定所述水下压力传感器所在水下机器人的垂直空间运动速度。
[0029]本专利技术与现有技术对比的有益效果包括：
[0030]本专利技术采用摩擦纳米发电机技术，可以直接将水压信号转变为电信号，以实现自驱动，避免了水下压力传感器需要额外能量驱动的情况，从而提高了水下压力传感器的适应性；还通过感应电极和滑动介电体的设置，改变二者的相对轴向位置来改变二者之间的接触面积，产生不同的电位差，通过不同的电位差输出情况、与后续实验的电位差与压力之间的标定，进而可以得出水下压力传感器所受压力情况。本专利技术具有灵敏度高、输出信号直观、水下检测深度范围可调等优点。可以通过改变水下压力传感器的整体长度、弹簧的长度以及线径改变水下压力传感器的灵敏度与测量范围，以实现不同压力的检测。该水下压力传感器的结构易于小型化、制造成本低。并且水下压力传感器所用材料价格低廉、环保，具有结构强度高，不易损坏，稳定性好，环境适应能力强等特点。
[0031]本专利技术实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例提出的水下压力传感器整体结构示意图；
[0033]图2是本专利技术实施例提出的水下压力传感器的爆炸图；
[0034]图3是本专利技术实施例中3/4圆柱壳示意图；
[0035]图4是本专利技术实施例中水下压力传感器的受力示意图；
[0036]图5a是本专利技术实施例中水下压力传感器无水压时的示意图；
[0037]图5b是本专利技术实施例中水下压力传感器小水压时的示意图；
[0038]图5c是本专利技术实施例中水下压力传感器大水压时的示意图；
[0039]图6a是本专利技术实施例中水下压力传感器的滑动介电体初始位置示意图；
[0040]图6b是本专利技术实施例中水下压力传感器的滑动介电体径向工作原理示意图；
[0041]图6c是本专利技术实施例中水下压力传感器的滑动介电体径向工作原理示意图；
[0042]图6d是本专利技术实施例中水下压力传感器的滑动介电体径向工作原理示意图；
[0043]图7为本专利技术实施例中水下压力传感器从0kPa缓慢到达50kPa压强条件下的输出电压示意图；
[0044]图8本专利技术实施例中水下压力传感器在不同运动速度条件下的输出电流示意图；
[0045]附图标记如下：
[0046]1‑
外壳，2
‑
圆柱壳，3
‑
感应电极，4
‑
弹簧，5
‑
滑动介电体，6
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下压力传感器，其特征在于，包括外壳和信号采集器，以及设置于所述外壳内部的感知单元；所述外壳具有中空腔体结构，用于容纳感知单元；所述感知单元包括感应电极、滑动介电体、平衡机构；所述感应电极紧贴在外壳的内壁，其轴向从上到下的周向长度满足线性关系；所述滑动介电体位于所述感应电极包络的空间内，所述滑动介电体用于轴向运动改变所述滑动介电体与所述感应电极的接触面积产生电信号；所述平衡机构设置于所述滑动介电体与所述外壳之间，用于平衡所述感知单元内部气压与水下压力；所述信号采集器用于收集所述电信号，计算水下压力的大小和变化速度。2.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述外壳与所述感知单元之间设置有圆柱壳，所述圆柱壳开口角度不大于330
°
，所述圆柱壳的内壁用于设置所述感应电极，方便所述感应电极的安装。3.如权利要求2所述的水下压力传感器，其特征在于，在所述圆柱壳底部设置防侧弯结构，能够避免所述平衡机构侧弯。4.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述平衡机构为弹簧。5.如权利要求1所述的水下压力传感器，其特征在于，所述水下压力传感器与外界液体之间设置有密封膜，所述密封膜设置于所述水下压力传感器的底部，用于隔绝所述感知单元与外界液体的接触。6.如权利要求1所述的水下压力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲钧天，王伟琛，徐敏义，朱传庆，王浩宇，王学谦，梁斌，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：