一种深水测速传感器

技术领域

本发明涉及船舶测速装置技术领域，更具体的说是涉及一种深水测速传感器。

背景技术

根据法拉第电磁感应定律，通过传感器建立交变磁场，该磁场相对舰艇静止，并居于海水中。当舰艇运动时，海水必然切割所建磁场磁力线。作为一种连续的导电介质，则在海水的任何闭合回路内将会产生感应电势，该电势通过传感器的电极拾取，其表达式为：

e＝BVL

式中：

e——速度电势；

B——磁感应强度；

V——船舶的航速；

L——等效电极间距。

在B和L为已知常量的情况下，检测到感应电势，就能获得船舶的航速。

目前，传统水下用测速传感器要求在不破坏船体流场的情况下测速，因此基本采用平面测速传感器，目前最大工作深度450m，耐压6.75MPa。

但是，传统测速传感器一般采用铝青铜(QAl9-4)外壳，电极所安装的电极板一般采用环氧层压玻璃布板或其它非金属材料制作，由环氧树脂将金属外壳、非金属电极板以及金属电极粘接于一体，由于环氧层压玻璃布板或其它非金属材料强度有限，在承受较大压力(如10MPa)的情况下，电极板变形较大，可能造成内部器件受挤压绝缘失效，或者电极板周围粘接部位开裂导致绝缘失效，最终导致传感器无法测速。

并且随着深海探测的需要，无人潜器对深水电磁测速传感器的需求逐渐增加，当前国内市场缺乏工作深度1000米的电磁测速技术，亟待填补空白。

因此，如何提供一种可保证薄弱环节密封性良好且相互绝缘，从而保证了深水测速传感器在高耐压环境下的密封性及绝缘性良好，且更耐海水腐蚀；整体结构强度更高，抗压能力更强，可在1000米水深工作，并且保证测量精度，延长使用寿命的深水测速传感器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可保证薄弱环节密封性良好且相互绝缘，从而保证了深水测速传感器在高耐压环境下的密封性及绝缘性良好，且更耐海水腐蚀；整体结构强度更高，抗压能力更强，可在1000米水深工作，并且保证测量精度，延长使用寿命的深水测速传感器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深水测速传感器，包括：

壳体，所述壳体顶端敞口，所述壳体底端开设有多个电极安装孔，多个所述电极安装孔内均安装有电极，多个所述电极安装孔与多个所述电极之间的空隙压铸密封有电极绝缘层，所述壳体底端面上通过压铸成型工艺固定铺设有表面绝缘层，多个所述电极可伸出所述表面绝缘层与海水相接触；

过渡密封套，所述过渡密封套外周下端面可拆卸安装在所述壳体顶端敞口处；

水密连接器，所述水密连接器可拆卸安装在所述过渡密封套的内孔上部，所述水密连接器可与船舶上的处理器电连接；

线圈组件，所述线圈组件固定在所述壳体内腔中，所述线圈组件上的线圈、前置放大电路板均与所述水密连接器电连接，多个所述电极均与所述前置放大电路板电连接；

其中，所述壳体与多个所述电极的材质均为钛合金。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种深水测速传感器，通过对线圈通电，使线圈产生磁场，电极暴露于海水中，电极之间产生磁感线，船舶移动，海水与船舶相对运动，海水作为运动导体切割电极之间的磁感线，产生感应电势，该感应电势信号沿着电极上的导线传输到前置放大电路板上，前置放大电路板对电极感应到的感应电势信号经过滤波、10倍信号放大和再滤波后，转换成差分信号，并滤除高频干扰信号和电极极化产生的干扰信号，防止信号放大后饱和失真，之后信号通过水密连接器传送到船舶上的处理器中进行处理分析得到船舶速度参数。因此，该测速传感器通过线圈产生磁场，电极暴露于海水中，海水与船舶相对运动，切割磁感线，从而产生的相对水流速度成比例的信号，实现对船舶速度的检测。

该测速传感器的壳体和电极由钛合金材料制备，提高传感器的耐高压性，并且设置过渡密封套使其内部与外界环境隔绝，通过电极绝缘层和表面绝缘层压铸成型的密封方式，保证了电极等薄弱环节密封性良好且相互绝缘，从而保证了深水测速传感器在高耐压环境下的密封性及绝缘性良好，且更耐海水腐蚀，整体结构强度更高，抗压能力更强，保证了测量精度，进而使其可在1000米水深工作，填补了深水船舶测速技术领域的空白。

进一步的，所述线圈组件包括：铁芯、线圈骨架、所述线圈、所述前置放大电路板，所述铁芯固定在所述内腔中，所述铁芯内部设有所述线圈骨架，所述线圈骨架上缠绕有所述线圈，所述线圈外部包裹有屏蔽铜箔，所述前置放大电路板固定在所述铁芯的一侧面上。

进一步的，所述屏蔽铜箔外表面缠绕有玻璃布胶带，所述玻璃布胶带外通过真空浸漆处理工艺浸有环氧绝缘漆层。

采用上述技术方案产生的有益效果是：能够使线圈向海水中释放稳定的磁场，以便于通过磁场检测船舶速度。并且，缠绕玻璃布胶带和环氧绝缘漆，可提高线圈的绝缘强度和防潮性能，又可提高线圈的耐热性和散热性，还可提高线圈的机械性能、化学稳定性以及延缓老化，从而提高线圈的质量，延长其使用寿命。

进一步的，所述线圈骨架通过改性环氧双氰胺经热压后一体固化而成。

采用上述技术方案产生的有益效果是：线圈骨架通过改性环氧双氰胺经热压后一体固化而成与常用的采用环氧玻璃布层压板拼接胶粘而成的骨架相比，具有较高的机械强度和介电性能，较好的尺寸稳定性、耐热性、耐潮性及抗冲击性能，在线圈绕制过程中以及后续整体浸漆过程中，能更好的防止线圈变形。

进一步的，所述铁芯由多个E型铁芯片叠加而成，所述铁芯片通过晶粒取向硅钢片经真空退火处理形成，所述线圈骨架套设在所述铁芯的中部芯柱上。

采用上述技术方案产生的有益效果是：晶粒取向硅钢片属于低硅低碳合金，具有铁损小、磁感高、表面光滑、厚度均匀、同板差小等特点，非常适合用于铁芯的制备；通过对该材料进行真空退火处理，使淀积的金属在适当的温度下结晶，从而改善金属的电子传输能力和性能，使用真空退火相比于常规的退火炉，具有更高的退火温度和更小的退火热效应，可以更好地控制退火过程，从而改善器件的性能；此外，真空退火还可以有效防止金属在退火过程中与空气中的氧化物反应，从而降低金属的质量。并且采用真空退火处理，消除材料经过冲压后受到很大的机械应力导致的导磁性能恶化和铁损增加，另外，采用该硅钢片后可以减少铁芯发热。

进一步的，所述中部芯柱内部具有贯通其上下端面的穿线通道，多个所述电极上的电极导线均经过所述穿线通道与所述前置放大电路板电连接。

采用上述技术方案产生的有益效果是：方便了电极与前置放大电路板的电连接和信号传输用的导线的隐藏走线，避免了导线走线杂乱以及导线在壳体外部穿线走线带来的导线缠绕等状况。

进一步的，所述内腔和所述铁芯之间的空间灌封有用于传递所述铁芯和所述壳体之间热量的室温固化结构胶。

采用上述技术方案产生的有益效果是：能够辅助电极部位的密封，并将铁芯上线圈产生的热量传导至壳体，进而利用与海水直接接触的壳体将热量很好的传递出去，从而达到快速冷却效果，提高线圈组件的工作可靠性。

进一步的，所述前置放大电路板上的电路元器件安装时需通过加压热注塑浇注绝缘材料。

采用上述技术方案产生的有益效果是：通过浇注绝缘材料，可强化前置放大电路板的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高其上的元器件、线路间绝缘，有利于元器件小型化、轻量化；避免元器件、线路直接暴露，改善元器件的防水、防潮性能。

进一步的，所述前置放大电路板上覆盖有用于保护电路元器件的封装硅胶层。

采用上述技术方案产生的有益效果是：各元器件采用线路板封装硅胶的方式进行保护，可防止元器件因加压热注塑的浇注过程中热应力及收缩应力导致管脚松脱、造成接触不良甚至断路，进一步提高前置放大电路板的可靠性，保证使用寿命。

进一步的，所述过渡密封套外周下端面可通过第一安装螺钉和第一弹垫可拆卸安装在所述壳体顶端敞口处，所述第一安装螺钉和所述第一弹垫均采用钛合金材质，且所述过渡密封套与所述壳体顶端敞口处设置有第一多道密封圈；所述水密连接器可通过第二安装螺钉和第二弹垫可拆卸安装在所述过渡密封套的内孔上部，所述第二安装螺钉和所述第二弹垫均采用钛合金材质，所述水密连接器与所述过渡密封套的内孔之间设有第二多道密封圈。

采用上述技术方案产生的有益效果是：第一弹垫和第二弹垫使得第一安装螺钉和第二安装螺钉具有很好的放松效果，保证零件件装配的稳固性和放松脱性，并且，安装螺钉及弹垫采用钛合金材质，避免与壳体间在海水中产生电化学腐蚀，提高安装螺钉和弹垫的抗腐蚀性，延长其使用寿命。并且过渡密封套与壳体之间，过渡密封套与水密连接器之间均采用多道密封，大大提高了零件之间的密封性，保证了壳体内部元器件，如线圈、线圈骨架等不易受到海水的腐蚀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种深水测速传感器的结构示意图。

图2为图1的主视剖面结构示意图。

图3为本发明提供的壳体的剖面结构示意图。

图4为本发明提供的线圈组件的结构示意图；

图5为图4的主视剖面结构示意图。

图6为本发明提供的前置放大电路板的电路原理图。

图7为本发明提供的一种深水测速传感器的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图7所示，本发明实施例公开了一种深水测速传感器，包括：

壳体1，壳体1顶端敞口，壳体1底端开设有两个电极安装孔101，两个电极安装孔101内均安装有电极2，电极安装孔101与电极2之间的空隙压铸密封有电极绝缘层3，壳体1底端面上通过压铸成型工艺固定铺设有表面绝缘层4，多个电极2可伸出表面绝缘层4与海水相接触；

过渡密封套5，过渡密封套5外周下端面可拆卸安装在壳体1顶端敞口处；

水密连接器6，水密连接器6可拆卸安装在过渡密封套5的内孔上部，水密连接器6可与船舶上的处理器电连接；

线圈组件7，线圈组件7固定在壳体1内腔102中，线圈组件7上的线圈73、前置放大电路板74均与水密连接器6电连接，多个电极2均与前置放大电路板74电连接；

其中，壳体1与多个电极2的材质均选用TC4钛合金为原料制备。TC4钛合金属于无磁性导体，相对磁导率与非金属环氧树脂板和海水一致，对线圈产生的感应磁场的无影响。同时，TC4钛合金的抗拉强度在900MPa到1100MPa之间，对比环氧树脂板强度更大，适用耐高压的深水的环境，还可以减小电极板对厚度的要求，减小由于电极板厚度造成感应磁场的下降。

具体的，因磁场强度的大小随电极面距励磁线圈间距的增大而减少，所以设计中要求两个电极与线圈组件的距离尽可能近，例如电极顶端面与线圈骨架底端面之间的距离为2-4mm。

具体的，采用耐静水压力10MPa的水密连接器，工作温度-40℃～85℃，水密插头及电缆采用高温硫化工艺，电缆选择纵向水密信号电缆，均能保证纵向密封性能达到耐压10MPa不渗漏，连接器壳体材料选择钛合金材质，提高抗腐蚀抗压能力。

上述实施例中，通过线圈组件产生磁场，电极暴露于海水中，海水与船舶相对运动，切割磁感线，两电极拾取海水切割磁力线时，产生的相对水流速度成比例的信号，实现对船舶速度的检测。

铁芯71、线圈骨架72、线圈73、前置放大电路板74，铁芯71可粘结固定在内腔102中，铁芯71内部设有线圈骨架72，线圈骨架72上缠绕有线圈73，线圈73外部包裹有屏蔽铜箔75，并引出线圈导线，之后屏蔽铜箔75外表面缠绕有玻璃布胶带，玻璃布胶带外通过真空浸漆处理工艺浸有环氧绝缘漆层。屏蔽铜箔、玻璃布胶带、环氧绝缘漆能够使线圈向海水中释放稳定的磁场，以便于通过磁场检测船舶速度。并且，缠绕玻璃布胶带和环氧绝缘漆，可提高线圈的绝缘强度和防潮性能，又可提高线圈的耐热性和散热性，还可提高线圈的机械性能、化学稳定性以及延缓老化，从而提高线圈的质量，延长其使用寿命。

具体的，前置放大电路板74固定在铁芯71的一侧面上。例如，前置放大电路板74通过双头螺杆及螺母固定在铁芯上端。前置放大电路板对电极感应到的速度信号经过滤波、10倍信号放大和再滤波后，转换成差分信号，发送至后端处理设备如处理器。电极过来的信号除了速度信号外，也包含高频干扰信号和电极极化产生的直流信号，这些干扰信号必须通过前置放大电路板的滤波电路滤除，防止信号放大后饱和失真。

具体的，线圈骨架72可通过改性环氧双氰胺(酰醚)经热压后一体固化而成。其与常用的采用环氧玻璃布层压板拼接胶粘而成的骨架相比，具有较高的机械强度和介电性能，较好的尺寸稳定性、耐热性、耐潮性及抗冲击性能，在线圈绕制过程中以及后续整体浸漆过程中，能更好的防止线圈变形。

具体的一个实施例中，铁芯71由多个E型铁芯片叠加而成，铁芯片通过晶粒取向硅钢片经真空退火处理形成，线圈骨架72套设在铁芯71的中部芯柱711上。

在该实施例中，铁芯由铁芯片叠加而成，组成E型铁芯。铁芯片一般选用晶粒取向硅钢片(即冷轧片)，属于低硅低碳合金，具有铁损小、磁感高、表面光滑、厚度均匀、同板差小等特点。综合考虑硅钢片的铁损及导磁能力，本发明实施例中选择高磁极化强度级钢带27QG090，最大比总损耗P1.7/50为0.90W/kg，最小磁极化强度为1.88J/T，并且采用真空退火处理，消除材料经过冲压后受到很大的机械应力导致的导磁性能恶化和铁损增加。并且采用该硅钢片后可以减少铁芯发热。

本发明的一个实施例中，中部芯柱711内部具有贯通其上下端面的穿线通道7111，多个电极2上的电极导线均经过穿线通道7111与前置放大电路板74电连接。这样方便了电极与前置放大电路板的电连接和信号传输用的导线的隐藏走线，避免了导线走线杂乱以及导线在壳体外部穿线走线带来的导线缠绕、与海水接触而易腐蚀，降低导线使用寿命的问题。

除此之外，在两个电极2上均焊接设置了单向焊片(未标出)，单向焊片上连接电极导线。因此，单向焊片的设置，方便了电极导线与电极的连接。

在上述实施例中，内腔102和铁芯71之间的空间灌封有用于传递铁芯71和壳体1之间热量的室温固化结构胶8。

具体的，深水测速传感器内部的核心元件为线圈组件，线圈电阻为8Ω左右，电流在1A左右，因此通电工作状态下线圈热量较大，这还不包括磁滞损耗、涡流损耗带来的铁芯发热。若温度长时间超过允许值会渐渐失去绝缘弹性而使绝缘老化、与外壳短路或漆包线间短路，从而造成深水测速传感器绝缘下降甚至绝缘为0的情况。深水测速传感器一般工作在水中，将线圈组件的热量传导至壳体，进而接触水，即可将热量很好的传递出去，从而达到冷却效果。在深水测速传感器壳体内腔中灌封入填充剂，固化后填充线圈组件与壳体的空隙，成为传递热量的媒介。设计中考虑到该填充剂须有较高的剪切强度与剥离强度，可以辅助电极部位的密封，排除了导热胶这一选项，填充剂选择室温固化结构胶8对壳体内部进行空腔浇注，高度至内腔收口处为准。

壳体与结构胶的结合是否紧密牢靠的问题，在浇注件中也尤为关键，因此壳体的机械加工质量和表面处理工艺就显得极为重要。壳体在设计时应全面考虑，尽可能避免尖角、棱角出现。由于结构胶的线膨胀系数比金属材料大得多，因此在浇注过程中带有金属材料时，应考虑到温度变化而产生的热应力。正是这种热应力和树脂固化时产生的收缩应力，共同构成了固化物的内应力，而该内应力往往集中在金属材料的尖角处，特别是在固化反应结束后，如果降温过快，这一应力将引起固化物的龟裂、分层和脱粘。因此，将壳体内腔的尖角、棱角处倒成R角，消除尖角、棱角后，不但提高了结构胶与壳体的结合附着力，也防止了因壳体尖角、棱角而引起的浇注件应力集中。

在一些实施例中，前置放大电路板74上的电路元器件安装时需通过加压热注塑浇注绝缘材料，这样通过浇注绝缘材料，可强化前置放大电路板的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高其上的元器件、线路间绝缘，有利于元器件小型化、轻量化；避免元器件、线路直接暴露，改善元器件的防水、防潮性能。前置放大电路板74上覆盖有用于保护电路元器件的封装硅胶层，可防止前置放大电路板74上的元器件因浇注过程中热应力及收缩应力导致管脚松脱、造成接触不良甚至断路。

在一些实施例中，过渡密封套5外周下端面可通过8个第一安装螺钉9和8个第一弹垫10可拆卸安装在壳体1顶端敞口处，第一安装螺钉9和第一弹垫10均采用钛合金材质，且过渡密封套5与壳体1顶端敞口处设置有第一多道密封圈11，如设置两道O型密封圈进行双重密封；水密连接器6可通过4个第二安装螺钉12和4个第二弹垫13可拆卸安装在过渡密封套5的内孔上部，第二安装螺钉12和第二弹垫13均采用钛合金材质，水密连接器6与过渡密封套5的内孔之间设有第二多道密封圈14，如设置两道O型密封圈进行双重密封。

在该实施例中，为了提供第一安装螺钉和第二安装螺钉的放松效果，在第一安装螺钉和第二安装螺钉上的螺纹处涂抹高强度螺纹胶进行防松处理。

在上述的实施例中，电极安装孔101与电极2之间通过模压成型密封工艺进行封接，二者的间隙为1mm。

具体的，电极一端固定在电极安装孔中，另一端穿出电极安装孔，电极安装孔内表面、电极的表面作粗糙处理。将一定量的热固性模压料放入金属对模中，同时加热和加压，使模压料塑化，流动充满模腔，模压料中添加增强材料，随模压料一同流动。热固性模压料在一定的时间内受高温和高压作用发生固化反应，形成电极绝缘层3。

具体的，模压料需要根据材料的水分及挥发物含量，预选工艺参数，经典型工艺实验后，再确定材料预热参数、压制温度、压力、时间等，并在操作中适当修正。

具体的，模压料的预热能改善工艺性能，如增加流动性、便于装模及降低制品的收缩率等。模压料的预热一般在电烘箱中进行，视情况在90～130℃烘箱中预热3～7min。具体预热参数应由试验来确定。预热后的软化料应立即装入模具的加料室进行压制。壳体与电极的预热一般在加热板上进行，使其加热至接近压制温度。

具体的，压制温度影响保压时间、成型压力及制品质量。温度的选择应考虑制品的结构、成型压力大小、材料的流动性及是否预热等具体情况。压制温度是指模具模腔的温度、为了保证模腔的实际温度，除控制温度表指示外，还应通过测量模具表面温度或测温孔温度加以修正。该热固性模压料压制温度为160±5℃。电极组件模压部位属于薄壁结构，取温度下限155℃。

具体的，成型压力影响料的流动性、收缩率及制品的密度。一般说，制品结构复杂、厚度过大或过小、材料流动性差都需要较大的成型压力。实际生产中所用的成型压力应比计算压力高20％～30％，对流动性大的料还可采用迟压法。

具体的，保压时间的确定应考虑材料的流动性、挥发物含量、制品结构及成型温度等实际情况。保压时间以制品中最大厚度计算。该热固性模压料每毫米厚度保压时间为0.5～1.5min。一般说，材料流动性大、制品结构复杂、成型温度低，其时间取上限。本应用中保压时间为1.5min。

具体的，为避免快速冷却后变形或保证尺寸精度、将出模后的电极组件放在夹具中冷却或者将压模在压力下冷却至一定温度才能取出。

具体的，为改善性能、保证尺寸稳定性、消除内应力，减少制品在使用、贮存中出现开裂、变形，对壳体要进行热处理。该模压料制品可在130～160℃/4～24h的烘箱内进行热处理，壳体这种薄壁结构采用较高的温度和较短的时间。

具体的，在壳体的迎水面增加绝缘层，防止磁力线通过壳体迎水面时产生感应电势，叠加在电极产生的感应电势上，造成拾取的速度电势失真。

具体的，在壳体1表面采用压铸成型的方式，复合一层表面绝缘层4，具体采用热固性模压料，提高其绝缘性，同时提高其耐磨性能和耐腐蚀性能。电极板表面绝缘，可以保证电极点电势的稳定性。

具体的，可选择喷砂或壳体表面进行滚花的方式，来提高壳体1与表面绝缘层4的结合力。

喷砂在金属表面处理中的应用非常普遍，目的是用来克服和掩盖金属零件在机加工中产生的缺陷，满足性能要求而进行的预处理工序。并且用于增大金属表面的粗糙度，提高金属和模压料的附着力。

具体的，在本应用中壳体表面可采用喷砂处理，通过压力将金刚砂砂粒与壳体表面进行撞击，从而改变壳体表面光洁度和应力状态。对表面经喷砂处理和未经喷砂处理的壳体进行拉伸试验对比，前者为22.72kN，后者为14.32kN，结果表明：经表面经喷砂处理后的壳体与模压料结合附着力明显优于未经喷砂处理的壳体。

经喷砂的壳体一般控制在一周内完成压铸成型，对湿度在86％以上的潮湿天气必须当天完成。

滚花的方式在生产中也比较常用，一般采用直纹滚花和网纹滚花。实验证明，使用网纹滚花的金属件与模压料的附着力要明显优于使用直纹滚花的金属件。使用网纹滚花的嵌件的浇注件拉伸力达到15.75kN，而使用使用直纹滚花的嵌件浇注件拉伸力仅有10.75kN。

具体的，在本应用中，壳体表面可采用网纹滚花，网纹滚花参数的选择使用按GB/T6403.3-2008。

本发明深水测速传感器的工作原理如下：

本发明的各部件通过密闭连接后组成该深水测速传感器，该深水测速传感器可对处于深水中1000米处的船舶进行测速。通过对线圈组件通电产生磁场，电极一端与海水相接触，在船舶移动的同时，海水与船舶相对运动，海水切割电极之间的磁感线，两电极拾取海水切割磁感线时产生的感应电势，通过电极导线传送至前置放大电路板，前置放大电路板对电极感应到的感应电势信号经过滤波、10倍信号放大和再滤波后，转换成差分信号，通过水密连接器发送至船舶上的处理器，经过对数据处理分析后，可实现对船舶速度的检测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。