一種聲學(xué)多普勒海流計的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種聲學(xué)多普勒海流計，其包括換能器、測量處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、電源轉(zhuǎn)換模塊、堿性電池組及殼體組成。本實用新型基于多普勒頻移原理，通過測量發(fā)射脈沖與回波脈沖的頻移變化結(jié)合儀器姿態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、壓力數(shù)據(jù)解算出海流速度及流向。本實用新型的聲學(xué)多普勒海流計布放于潛標系統(tǒng)中能夠?qū)Ｑ髣恿Νh(huán)境參數(shù)、海流數(shù)據(jù)進行長時間觀測，獲得布放海域溫度、壓力、流速、流向等海洋環(huán)境參數(shù)，具有直讀和自容兩種工作模式，并具有測流精度高、操作靈活的特點。
【專利說明】
一種聲學(xué)多普勒海流計
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種聲學(xué)多普勒海流計。
【背景技術(shù)】
[0002]海流是研究海洋動力環(huán)境重要的參數(shù)數(shù)據(jù)，對海洋資源開發(fā)、環(huán)境信息安全保障、科學(xué)研究具有重要作用?，F(xiàn)有基于聲學(xué)測流的儀器分為聲學(xué)海流計和多普勒剖面儀。聲學(xué)海流計根據(jù)測量原理不同分為時差式聲學(xué)海流計、聚焦式聲學(xué)海流計、多普勒式聲學(xué)海流計，聲學(xué)多普勒海流計具有不破壞流場、測瞬時流速、測量精度高、能測量低速海流的優(yōu)點。海流計只能對海洋中的某一點位置的海流進行長期連續(xù)觀察，聲學(xué)多普勒海流剖面儀采用斜正交布陣(JANUS)結(jié)構(gòu)，用聲波對儀器下方幾百米范圍內(nèi)的海流剖面進行遙測，從而為實現(xiàn)海流剖面長期連續(xù)測量和船載走航測量提供了一種有效途徑。
[0003]現(xiàn)有的聲學(xué)多普勒海流計一般只具備直讀或自容一種工作模式，且工作方式不夠靈活。綜上所述，在海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域亟需提供一種具有直讀和自容兩種工作模式、測流精度高、操作靈活的聲學(xué)多普勒海流計。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型要解決的技術(shù)問題是如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有直讀和自容兩種工作模式、測流精度高、操作靈活的聲學(xué)多普勒海流計。
[0005]本實用新型為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是:一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，其包括換能器、系統(tǒng)控制模塊、測量處理模塊、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、電源轉(zhuǎn)換模塊、堿性電池組及殼體組成;所述殼體包括上端蓋、筒體、下端蓋、電路板支架，所述上端蓋與筒體、下端蓋與筒體均同時采用軸向密封方式與縱向密封方式;所述溫度傳感器為數(shù)字傳感器，安裝在筒體上獲取溫度值;所述壓力傳感器安裝在下端蓋的圓形槽中，其壓膜與水接觸，由系統(tǒng)控制模塊提供電源并采用RS485方式與系統(tǒng)控制模塊通信，獲取當前壓力值傳輸給系統(tǒng)控制模塊;所述姿態(tài)傳感器安裝在系統(tǒng)控制模塊上;所述換能器安裝于上端蓋之上;堿性電池組位于筒體下方；
[0006]進一步地，所述換能器以偏鈮酸鉛壓電陶瓷為元件，采用單片圓形縱向振動模態(tài)技術(shù)，換能器的諧振頻率為IMHz;
[0007]進一步地，所述系統(tǒng)控制模塊由CPU控制核心、電源控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成，完成上位機與測量處理單元的命令數(shù)據(jù)的交互，系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、電源控制及壓力、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)；
[0008]進一步地，所述CPU控制核心采用STM32處理器并設(shè)置有SD卡，可存儲儀器測量溫度、壓力、流速、流向數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)自容模式，可完成上位機與測量處理單元的命令數(shù)據(jù)的交互、系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、電源控制及壓力、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)；
[0009]進一步地，所述測量處理模塊包括信號發(fā)射機模塊、信號接收機模塊、信號處理模塊，完成發(fā)射信號的生成、發(fā)射及反射信號的接收處理、信號處理、計算海流流速的任務(wù)；
[0010]進一步地，所述電源轉(zhuǎn)換模塊分別為信號發(fā)射機模塊、信號接收機模塊、信號處理模塊提供電源，輸入電壓為18-36V，給信號處理模塊的輸出電壓為+5V、給信號接收機模塊的輸出電壓為± 5 V、給信號發(fā)射機模塊的輸出電壓為+12 V;
[0011]進一步地，所述信號發(fā)射機模塊將信號處理模塊產(chǎn)生的具有一定重復(fù)周期、脈沖寬度和頻率的電信號通過功率放大部分進行功率放大并將電信號加到換能器上，所述換能器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲波信號發(fā)射出去;所述功率放大部分采用D類功率放大電路實現(xiàn)，在所述信號處理模塊的控制下生成功率放大的驅(qū)動信號；
[0012]進一步地，信號接收機模塊接收由換能器輸入的回波信號，經(jīng)過隔離變壓器匹配、前級放大器、帶通濾波、時變增益TVG放大、后置濾波器、后置放大器后輸出到信號處理模塊。
[0013]本實用新型的聲學(xué)多普勒海流計用于布放在潛標系統(tǒng)中對海流數(shù)據(jù)進行長時間觀測，獲得布放海域溫度、壓力、流速、流向等多種海洋環(huán)境參數(shù)，具有直讀和自容兩種工作模式，通過參數(shù)設(shè)置可以測量某點位置或某剖面各層的海流數(shù)據(jù)，并且根據(jù)不同用戶的需要對測量周期、測量間隔、單日測量時間點分布等參數(shù)靈活設(shè)置。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為儀器功能關(guān)系示意圖。
[0017]附圖標記說明:1-換能器，2-上端蓋，3-筒體，4-信號接收機模塊，5-金屬屏蔽板，6-電源轉(zhuǎn)換模塊及信號發(fā)射機模塊，7-信號處理模塊，8-系統(tǒng)控制模塊及姿態(tài)傳感器，9-堿性電池組，10-通信水密堵頭，11-下端蓋，12-壓力傳感器，13-電路板支架，14-換能器發(fā)聲窗，15-溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0018]實施例1:
[0019]一種聲學(xué)多普勒海流計，其包括換能器1、系統(tǒng)控制模塊8、測量處理模塊、壓力傳感器12、姿態(tài)傳感器8、溫度傳感器15、電源轉(zhuǎn)換模塊6、堿性電池組9及殼體組成;所述殼體包括上端蓋2、筒體3、下端蓋11、電路板支架13，所述上端蓋與筒體、下端蓋與筒體均同時采用軸向密封方式與縱向密封方式，同時采用兩種密封方式，具有更好的密封性能;所述上端蓋2、筒體3、下端蓋11均采用316不銹鋼材料制作，電路板支架13采用金屬鋁材料制作，可減輕儀器重量;另設(shè)有金屬屏蔽板5。
[0020]上端蓋內(nèi)部嵌有4個換能器，表面有換能器的發(fā)聲窗14，內(nèi)部表面有與電路板支架13固定的4個螺絲孔，通過12個M5螺絲與筒體3固定。下端蓋11表面有通信水密堵頭安裝孔
10、壓力傳感器12的安裝孔位，內(nèi)部表面有與電池組9固定的4個螺絲孔。通過12個M5螺絲與筒體3固定。安裝的通信水密堵頭10采用8芯結(jié)構(gòu)，其中4芯為通信接口，可實現(xiàn)遠距離實時通信，使儀器具有直讀功能，其中兩芯為上電接口，剩下兩芯留擴展用。筒體為簡單筒體，除與上下端蓋固定螺孔外無其他結(jié)構(gòu)。所述電路板支架13與上端蓋固定。
[0021]所述換能器以偏鈮酸鉛壓電陶瓷為元件，采用單片圓形縱向振動模態(tài)技術(shù)，換能器的諧振頻率為1ΜΗζ，4個換能器的輻射面法線構(gòu)成直角坐標的坐標軸，每個換能器的輻射面直徑為2.8cm，其自然指向性為約為3.2°，以滿足精度流速測高量的需求；電池組由28節(jié)E95堿性電池組成，采用2并14串結(jié)構(gòu)，與下端蓋固定，為儀器模塊提供21V電源。
[0022]所述溫度傳感器為數(shù)字傳感器，安裝在筒體上獲取溫度值;所述壓力傳感器安裝在下端蓋的圓形槽中，其壓膜與水接觸，由系統(tǒng)控制模塊提供電源并采用RS485方式與系統(tǒng)控制模塊通信，獲取當前壓力值傳輸給系統(tǒng)控制模塊;所述姿態(tài)傳感器8安裝在系統(tǒng)控制模塊8上，并由系統(tǒng)控制模塊8控制供電，采用RS232方式通信，姿態(tài)傳感器的布置需與儀器坐標系結(jié)合布置，具體為姿態(tài)傳感器為西北天坐標系，其北向與儀器的X軸指向重合，姿態(tài)傳感器與儀器控制中心的通信采用RS232串口方式通信；
[0023]所述系統(tǒng)控制模塊由CPU控制核心、電源控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成，完成上位機與測量處理單元的命令數(shù)據(jù)的交互，系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、電源控制及壓力、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的任務(wù);所述CPU控制核心采用STM32處理器并設(shè)置有SD卡，可存儲儀器測量溫度、壓力、流速、流向數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)自容模式，可完成上位機與測量處理單元的命令數(shù)據(jù)的交互、系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、電源控制及壓力、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的任務(wù);所述測量處理模塊包括信號發(fā)射機模塊6、信號接收機模塊5、信號處理模塊7，完成發(fā)射信號的生成、發(fā)射及反射信號的接收處理、信號處理、計算海流流速的任務(wù);所述電源轉(zhuǎn)換模塊分別為信號發(fā)射機模塊、信號接收機模塊、信號處理模塊提供電源，輸入電壓為18-36V，給信號處理模塊的輸出電壓為+5V、給信號接收機模塊的輸出電壓為±5V、給信號發(fā)射機模塊的輸出電壓為+12V;所述信號發(fā)射機模塊將信號處理模塊產(chǎn)生的具有一定重復(fù)周期、脈沖寬度和頻率的電信號通過功率放大部分進行功率放大并將電信號加到換能器上，所述換能器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲波信號發(fā)射出去;所述功率放大部分采用D類功率放大電路實現(xiàn)，在所述信號處理模塊的控制下生成功率放大的換能器所需的驅(qū)動信號;FPGA部分運行狀態(tài)由7-信號處理模塊四根控制線控制，一根觸發(fā)線(TRIG)、一根時鐘線(CLK)、I2C總線與FPGA核心板相連，四根控制線控制信號形式，觸發(fā)線控制開始時間，時鐘線為提供FPGA生成發(fā)射機驅(qū)動信號的基準時鐘。
[0024]信號接收機模塊接收由換能器輸入的回波信號，經(jīng)過隔離變壓器匹配、前級放大器、帶通濾波、時變增益TVG放大、后置濾波器、后置放大器后輸出到信號處理模塊;所述信號處理模塊為OMAP(具有I個AMR9內(nèi)核與I個DSP核)部件，可完成測流控制和信號處理算法、接收系統(tǒng)控制模塊匯總輸入的各傳感器信號、對各傳感器的數(shù)據(jù)進行解算和融合，解算出海流流速、流向參數(shù)。
[0025]上述實施例只是為了說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡是根據(jù)本【實用新型內(nèi)容】的實質(zhì)所作出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，其包括換能器、系統(tǒng)控制模塊、測量處理模塊、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、電源轉(zhuǎn)換模塊、堿性電池組及殼體組成;所述殼體包括上端蓋、筒體、下端蓋、電路板支架，所述上端蓋與筒體、下端蓋與筒體均同時采用軸向密封方式與縱向密封方式;所述溫度傳感器為數(shù)字傳感器，安裝在筒體上獲取溫度值;所述壓力傳感器安裝在下端蓋的圓形槽中，其壓膜與水接觸，由系統(tǒng)控制模塊提供電源并采用RS485方式與系統(tǒng)控制模塊通信，獲取當前壓力值傳輸給系統(tǒng)控制模塊;所述姿態(tài)傳感器安裝在系統(tǒng)控制模塊上;所述換能器安裝于上端蓋之上;堿性電池組位于筒體下方。2.如權(quán)利要求1所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，所述換能器以偏鈮酸鉛壓電陶瓷為元件，采用單片圓形縱向振動模態(tài)技術(shù)，換能器的諧振頻率為1MHz。3.如權(quán)利要求1所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，所述系統(tǒng)控制模塊由CPU控制核心、電源控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成，完成上位機與測量處理單元的命令數(shù)據(jù)的交互，系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、電源控制及壓力、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。4.如權(quán)利要求3所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，所述CHJ控制核心采用STM32處理器并設(shè)置有SD卡，可存儲儀器測量溫度、壓力、流速、流向數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)自容模式，可完成上位機與測量處理單元的命令數(shù)據(jù)的交互、系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲、電源控制及壓力、姿態(tài)數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。5.如權(quán)利要求1所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，所述測量處理模塊包括信號發(fā)射機模塊、信號接收機模塊、信號處理模塊，完成發(fā)射信號的生成、發(fā)射及反射信號的接收處理、信號處理、計算海流流速的任務(wù)。6.如權(quán)利要求5所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，所述電源轉(zhuǎn)換模塊分別為信號發(fā)射機模塊、信號接收機模塊、信號處理模塊提供電源，輸入電壓為18-36V，給信號處理模塊的輸出電壓為+5V、給信號接收機模塊的輸出電壓為±5V、給信號發(fā)射機模塊的輸出電壓為+12V。7.如權(quán)利要求6所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，所述信號發(fā)射機模塊將信號處理模塊產(chǎn)生的具有一定重復(fù)周期、脈沖寬度和頻率的電信號通過功率放大部分進行功率放大并將電信號加到換能器上，所述換能器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲波信號發(fā)射出去;所述功率放大部分采用D類功率放大電路實現(xiàn)，在所述信號處理模塊的控制下生成功率放大的驅(qū)動信號。8.如權(quán)利要求1所述的一種聲學(xué)多普勒海流計，其特征在于，信號接收機模塊接收由換能器輸入的回波信號，經(jīng)過隔離變壓器匹配、前級放大器、帶通濾波、時變增益TVG放大、后置濾波器、后置放大器后輸出到信號處理模塊。
【文檔編號】G01P5/24GK205506859SQ201620193873
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月14日
【發(fā)明人】周麗芹, 李國棟, 葛安亮, 王向東
【申請人】中國海洋大學(xué)