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CN107831334A - 二维矢量流速传感器 - Google Patents

二维矢量流速传感器 Download PDF

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CN107831334A
CN107831334A CN201711206461.4A CN201711206461A CN107831334A CN 107831334 A CN107831334 A CN 107831334A CN 201711206461 A CN201711206461 A CN 201711206461A CN 107831334 A CN107831334 A CN 107831334A
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CN
China
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electrode
magnetic pole
dimensional vector
flow sensor
loop
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Pending
Application number
CN201711206461.4A
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English (en)
Inventor
丁飞
罗昌林
张祺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Star Ocean Science And Technology Co Ltd
Original Assignee
Zhejiang Star Ocean Science And Technology Co Ltd
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/08—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本发明公开了一种二维矢量流速传感器，包括第一磁极和第二磁极，还包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。所述第二电极、第四电极和导电流体形成第一电极回路，所述第一电极、第三电极和导电流体形成第二电极回路。所述第一至第四电极同时竖直设置，所述第一至第四电极的两端端部分别与第一磁极和第二磁极固定连接。所述第一电极回路所在平面与第二电极回路所在平面相互交叉形成夹角α。本发明公开的二维矢量流速传感器，采用恒定磁场代替地磁场，采用2对电极间隔90度正交排列，以便获取水平流场中的速度矢量。

Description

二维矢量流速传感器
技术领域
本发明属于海洋探测技术领域，具体涉及一种二维矢量流速传感器。
背景技术
海流是海水运动的基本形式，了解和掌握海流的分布规律和流向、流速变化情况，对海上活动具有重要影响。海流能影响舰/潜艇的航向和航速，在较大横流的情况下，舰艇会偏离预定航线，特别是狭窄复杂航道上航行或通过水雷障碍物时，舰位一旦偏离，容易发生航海事故或触发布放的水雷。了解和掌握海流可以利用顺流节约燃料，避免逆流影响航行时间，甚至贻误战机。海流对潜艇航行和作战的影响更不容忽视，潜艇水下航行、待机和进入水下发射阵地，以及利用海流进行攻击和防御等，都需要准确掌握海流的流向和流速。另外，海流对海洋能量和物质传输具有重要作用，能使各地海水温度、盐度、水生物等发生变化，典型的大洋上层环流、垂直环流和大洋深层环流对海洋上空及沿岸天气、气候产生较大影响。
海流又称海流速度矢量，包含流速(大小)和流向(方向)两个参量。流速定义为单位时间内海水流动的距离，流向定义为海水流去的方向，水平方向以北向为0度基准，顺时针计量。世界范围内成熟的海流测量解决方案通常由美国sippican公司和日本TSK公司提供，均对我方实行技术封锁。
目前，国内公开资料很少。张启升、邓明、刘宁、孔银鸽、关善亮等作者共同在地球物理学报第56卷第11期发表论文的《抛弃式海流电场剖面仪研制》，公开了采用地磁场作为激发场源的技术方案。使用地磁场作为激发场源，原理为探头下沉过程中以16r/s的转速旋转，导电流体(海水、淡水等)在地磁场中流动在一对电极上感应出的感应电动势，通过对电动势进行信号处理和算法计算海流流速和方向。申请人认为，该方法存在以下关键缺点：
1、地磁场及其微弱，大小为50-60uT，电极上感应的信号幅度仅为nV级别，很容易受到干扰噪声干扰，后期信号处理和放大存在困难。
2、由于地磁场不均匀，各地磁场大小将对测量结果产生影响，且不容易校正，赤道处无法测量。
3、下降过程旋转速度造成较大误差，使用探头尾部的旋翼产生16转/s的旋转。上述论文指出，电极信号的频率、幅度与探头机械结构、探头重量、线圈属性、探头的下沉速度和旋转频率存在一定关系。因此，上述各量的变化均会引发海流测量结果的变化。
4、仅适用于测量相对流速，无法测量绝对流速。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，针对上述状况，提供一种二维矢量流速传感器。
本发明采用以下技术方案，所述二维矢量流速传感器包括第一磁极和第二磁极，还包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中：
所述第二电极、第四电极和导电流体形成第一电极回路，所述第一电极、第三电极和导电流体形成第二电极回路；
所述第一至第四电极同时竖直设置，所述第一至第四电极的两端端部分别与第一磁极和第二磁极固定连接；
所述第一电极回路所在平面与第二电极回路所在平面相互交叉形成夹角α。
根据上述技术方案，上述夹角α为90°。
根据上述技术方案，上述第一磁极和第二磁极均呈圆柱状。
根据上述技术方案，上述第一磁极和第二磁极之间的间距为D2，第一磁极和第二磁极的直径均为D1，D1和D2一致。
本发明公开的二维矢量流速传感器，其有益效果在于,采用恒定磁场(永磁体或其他电生磁场的励磁装置)代替地磁场，磁体产生的磁场可达0.1T，是地磁场的2000倍，使电极上由电磁感应定律感应电动势达到最低几十微伏，最高十几毫伏级别，极大方便信号的处理；采用2对电极间隔90度正交排列方式获取水平流场中的速度矢量，将导电流体的流速进行矢量分解，每对电极上感应电动势是流速的一个分量，可以方便地通过法拉第电磁感应定律和矢量幅值、幅角等计算方法计算流速的大小和方向。
附图说明
图1是本发明优选实施例的原理示意图。
图2是图1中二维方向的原理示意图。
图3是图2的矢量分解示意图。
图4是本发明优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种二维矢量流速传感器，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图1至图4，图1至图3分别示出了所述二维矢量流速传感器的测量原理，图4示出了所述二维矢量流速传感器的具体结构。
优选地，所述二维矢量流速传感器包括第一磁极11和第二磁极12，还包括第一电极A、第二电极B、第三电极C和第四电极D；其中，所述第二电极B、第四电极D和导电流体形成第一电极回路21，所述第一电极A、第三电极C和导电流体形成第二电极回路22；其中，所述第一至第四电极(A、B、C、D)同时竖直设置，所述第一至第四电极(A、B、C、D)的两端端部分别与第一磁极11和第二磁极12固定连接，以便第一至第四电极(A、B、C、D)共同组成作用于位于两侧的第一磁极11和第二磁极12的支撑结构和承重结构；其中，所述第一电极回路21所在平面与第二电极回路22所在平面相互交叉形成夹角α。
进一步地，上述夹角α优选为90°。换而言之，所述第一电极回路21所在平面与第二电极回路22所在平面相互正交。
其中，所述第一电极回路21产生的感应电动势为E1，所述第二电极回路22产生的感应电动势为E2。
其中，上述第一磁极21和第二磁极22优选均呈圆柱状，第一磁极21和第二磁极22之间的间距为D2，第一磁极21和第二磁极22的直径D1。
参见附图的图1至图3，为叙述方便，本优选实施例中D1与D2一致。第一电极A、第三电极C为一组，位于x轴方向，第二电极B、第四电极D为一组，位于y轴方向，第一至第四电极(A、B、C、D)互相正交且相差90°，坐标中心为0。
其中，定义x轴正向为东向(E)；定义y轴正向为北向(N)；定义x轴负向为西向(W)；定义y轴负向为南向(S)；定义北向为基准0°；定义速度矢量与北向夹角为流向角θ，顺时针从0°增大至360°。
假设导电流体流速矢量与北向夹角为θ＝120°，假设磁极间距为D1，磁极直径为D2，分解为和其中沿东向，沿南向。
在电极B、D中产生感应电动势E2，在电极A、C中产生感应电动势E1。
系统中B、D1、D2均为已知量，此时系统测量E1和E2的值，即可按公式2.2-1～2.2-4计算流速矢量。
其中，规定E1沿N向为正电动势，沿S向为负电动势，E2沿E向为正电动势，沿W向为负电动势。
则计算流速公式为：
θ＝arctan(E1/E2)……(公式2.2-4)。
值得一提的是，上述优选实施例为本发明的优选方式，还可具有以下变形。
1.采用一对磁极和两对电极的测量矢量流速的方法，其中磁极大小、形状、磁场等特性可根据实际需求予以调整。
2.两对电极回路可不正交90度安放，可将电极按一定已知角度放置(可在算法中解算)，也可采用多对电极的方案。
3.磁极和各电极可作为结构支撑件，承受整个传感器重量，并传递应力，磁极之间还可增加独立的支撑件。
4.本方案属于海洋探测技术领域，还可扩展到二维水平流速的测量技术领域。
通过测量E1、E2电动势的值，即可通过公式2.2-3计算出海流流速的大小，通过公式2.2-4即可计算出导电流体流速的方向(以北向N为0度，顺时针变大到360度)。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种二维矢量流速传感器，其特征在于，包括第一磁极和第二磁极，还包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中：
所述第二电极、第四电极和导电流体形成第一电极回路，所述第一电极、第三电极和导电流体形成第二电极回路；
所述第一至第四电极同时竖直设置，所述第一至第四电极的两端端部分别与第一磁极和第二磁极固定连接；
所述第一电极回路所在平面与第二电极回路所在平面相互交叉形成夹角α。
2.根据权利要求1所述的二维矢量流速传感器，其特征在于，上述夹角α为90°。
3.根据权利要求1所述的二维矢量流速传感器，其特征在于，上述第一磁极和第二磁极均呈圆柱状。
4.根据权利要求1所述的二维矢量流速传感器，其特征在于，上述第一磁极和第二磁极之间的间距为D2，第一磁极和第二磁极的直径均为D1，D1和D2一致。
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