[发明专利]流速计声学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及流速测量设备技术领域，更具体的，涉及海流计量设备。

背景技术

随着海洋开发和研究的深入，海洋流速参数是海洋物理、海洋气候学非常关心的重要数据对象；同时该参数也为水声界，水文水利界等军事和国民经济部门所关心和重视。测量海洋流速参数的流速测量仪器有多种，包括电磁式流速计、涡街式流速计及多普勒式流速计等。

电磁式流速计采用电磁流速传感器，该传感器受海水电导特性影响大，功耗高，且不适合淡水环境使用；涡街式流速计使用机械转子式流速传感器，其转子机械结构的灵敏度低，尤其不适合低流速的大洋洋流的测量，且易受海洋生物、污染物的影响。另外，这两种流速仪均只适合于一维流速的测量。

三维流速测量仪器则主要有多普勒流速计和综合时差法流速计两种，在大洋流速测量和考察中，由于清澈海水的悬浮物少、水质透明，超声多普勒流速计传感器接收回波信号弱，测量灵敏度低而且精度也受到影响，因此超声式多普勒流速计传感器不适合清澈海水的流速测量。而在我国近海混浊水海域，水质过于混浊，超声多普勒流速计传感器接收信号回波干扰较大，测量精度也受一定的影响。因此综合时差法流速计在上述环境下具有显著的优势，时差法三维流速测量仪器的核心部件是声学传感器，其声波传播距离固定且较短、回波信号大、抗干扰能力强，且不受流体介质的声速、密度、浑浊度的影响，测量精度高。

对于三维流速的测量，通常只需要三个互成一定角度的测量声轴即可实现。一般结构可以是成对的传感器按照三维立体结构安装，也可以通过声学发射镜结构反射声波构成三维测量声轴，但这些方法的安装支架复杂，必然会对测量点的流速造成一定的影响，而且必然有一个测量声轴处于支架遮蔽的阴影区而影响测量的精度和测量结果，进而影响流速测量在水平方向和垂直方向的余弦响应。

如专利号为US005373736A的美国专利公开了一种声学流速计，当通电时换能器分别开始测量，并在水流中发射CW脉冲及检测水流中CW脉冲；换能器将接收到的回波信号与发射的CW脉冲信号进行相位比较确定相移；并通过比较在声传播路径两端的两个相对的换能器同时发射的CW脉冲回波经历的不同相移来消除尾流污染，进而确定水流速度。但该声学流速计的声学传感器部件使用压电陶瓷换能器通过机械结构部件按照一定角度夹持安装，然后为了保持压电陶瓷换能器的安装稳定性，通过模具将压电陶瓷换能器和机械结构一同灌封以保证在水流冲击时的稳定性。这种结构对安装工艺和异形模具的加工要求高，同时模具的灌封复杂、成品率较低，灌封后的声学传感器部件结构体积较大，对流场的影响也较大，因此不适合测量较高的水体流速。

发明内容

本发明创造所要解决的技术问题是提供一种对流场扰动的敏感度大大降低而且具有更高的精度和准确性的声学流速计。

本发明创造为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明创造的流速计声学传感器，包括当通电时分别开始测量的第一组、第二组、第三组和第四组换能器，每组的换能器同心对照，每个换能器在水流中发射CW超声脉冲信号，同组的换能器间形成测量声轴，每个换能器同时检测接收同组换能器发射的经介质传播过的CW脉冲声波信号。

进一步的，所述四组换能器与确定每个测量声轴上回波信号相对于发射的CW脉冲信号的时差，确定流速在该测量声轴的流速分量，进而确定水流速度的流速计水密电子舱连接。

进一步的，所述测量声轴等长。

进一步的，所述换能器以两个呈一定角度设置在与中心安装杆垂直连接的横杆的任一端的球形部位上。

进一步的，所述中心安装杆上设置两个横杆，第一根横杆和第二根横杆在水平平面上互相垂直，而在垂直平面彼此分开；所述第一根横杆一端球形部位上的两个换能器分别与第二根横杆两端的球形部位上一个换能器同心对照设置构成两组换能器。

进一步的，所述横杆由两根平行传感器安装杆对接构成，传感器安装杆一端定位面分别与中心安装杆上的定位面、对接定位，传感器安装杆另一端设置球形部位。

进一步的，所述中心安装杆内部设有引线空腔，一端设有密封堵头。

进一步的，所述传感器安装杆内设有引线空腔；球形部位上设有安装定位、密封换能器的表面需要经喷砂处理的安装槽、，还设有密封承压槽、。

进一步的，所述密封承压槽、及引线空腔内灌封橡胶，并与换能器的背衬后部的橡胶连通；背衬依次与压电陶瓷片、声学匹配层连接构成换能器，声学匹配层外设置密封层固定、水密封换能器；密封承压槽处的橡胶承受的压力传递给背衬并作用到压电陶瓷片的背面，与密封层传递至压电陶瓷片正面的的压力相平衡，构成压力平衡结构。