專(zhuān)利名稱(chēng)：海洋聲學(xué)濁度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海水或淡水的渾濁度測(cè)量裝置，具體地說(shuō)是將懸浮于水或透明液體中的不溶顆粒物質(zhì)進(jìn)行定量表征出來(lái)的海洋聲學(xué)濁度傳感器。
背景技術(shù)：
在海洋領(lǐng)域科學(xué)考查中，海水的濁度是科學(xué)家研究海洋科學(xué)的一個(gè)重要參數(shù)，例如科學(xué)家經(jīng)常利用濁度和其他一些數(shù)據(jù)來(lái)判斷海底熱液活動(dòng)區(qū)。現(xiàn)有技術(shù)中常用的濁度傳感器都是利用光學(xué)原理制作的，也就是利用懸浮于水或透明液體中的不溶性物質(zhì)所產(chǎn)生的光的散射程度進(jìn)行定量表征。但光波在水中吸收衰減極大，并易受到可溶性色度的影響；當(dāng)水或透明液體的濁度較大時(shí)由于遮擋等因素更是難以準(zhǔn)確測(cè)量；水或透明液體中污染物會(huì)粘貼在透光鏡上影響本底標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生漂移；深海的壓力非常巨大，因此在耐壓和密封等方面都給光源的制作帶來(lái)了許多困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種克服光學(xué)濁度傳感器易受到可溶性色度的影響和水或透明液體濁度較大時(shí)由于遮擋等因素影響準(zhǔn)確測(cè)量的不足，將聲學(xué)原理運(yùn)用到濁度測(cè)量中的海洋聲學(xué)濁度傳感器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括具有封閉端面的柱形腔體、設(shè)置于腔體一端面內(nèi)側(cè)的換能器以及設(shè)于腔體內(nèi)的電路盒，其中腔體具有換能器的端面外部安裝有與換能器相對(duì)平行的反射板，腔體的另一端面設(shè)有出線孔，電路盒的輸出信號(hào)通過(guò)電纜從該出線孔引出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在出線孔與電纜之間設(shè)有密封件。
所述密封件為設(shè)于出線孔內(nèi)側(cè)的O型圈及從出線孔外插入并可與O型圈壓緊接觸的蓋；所述換能器為由發(fā)射換能器及接收換能器組成的在同一平面上、同心設(shè)置結(jié)構(gòu)，二者具有均勻間距，分別通過(guò)導(dǎo)線與電路盒的輸入端相連；所述聲發(fā)射換能器及聲接收換能器為圖形平面壓電陶瓷晶片；所述反射板與具有換能器的端面外周通過(guò)支架及固緊裝置相連；所述支架的數(shù)量為3～6個(gè)；在所述腔體的外部還設(shè)有溫度傳感器；所述腔體為不銹鋼材料；在腔體外表面及電纜出線孔處具有硫化橡膠層。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確。由于本發(fā)明采用聲學(xué)原理制作，不受可溶性色度及液體中污染物的影響，通過(guò)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)濁度對(duì)比校正，可準(zhǔn)確對(duì)海水濁度進(jìn)行數(shù)值表征。
2.制作容易，不易受耐壓、密封等條件的限制。濁度傳感器的聲發(fā)射換能器及聲接收換能器可貼于不銹鋼體內(nèi)壁上，同時(shí)設(shè)一反射板，可大大縮小濁度傳感器的整體尺寸，并利于密封處理。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖2為本發(fā)明換能器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的右視圖；圖4為本發(fā)明換能器工作原理示意圖之一；圖5為本發(fā)明換能器工作原理示意圖之二；圖6為本發(fā)明換能器工作原理示意圖之三。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如下包括具有封閉端面的用圓形不銹鋼加工而成的柱形腔體1、設(shè)置于腔體1一端面里側(cè)的換能器3以及設(shè)于腔體1內(nèi)的電路盒2，其中腔體1具有換能器3的端面外部加工有向周邊延伸出的凸臺(tái)，在凸臺(tái)上通過(guò)螺柱連接在支架(本實(shí)施例為4個(gè))的支腳上，支架的另一端與平行于換能器3的反射板5通過(guò)螺栓固定連接，腔體1的另一端面設(shè)有出線孔，電路盒2的輸出信號(hào)通過(guò)電纜8從該出線孔引出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在出線孔與電纜8之間通過(guò)O型圈及從外部插入的蓋進(jìn)行壓緊，這樣海水的壓力作用下，蓋與O型圈之間只能越壓越緊，對(duì)腔體內(nèi)部起到很好的密封作用；在腔體1外表面及電纜8出線孔處具有硫化橡膠層，對(duì)電纜8及腔體1起整體密封作用，使本發(fā)明在強(qiáng)烈的撞擊下不受損害，不影響測(cè)量。
如圖2、3所示，換能器3包括粘貼在腔體1的端面里側(cè)的聲發(fā)射換能器S及聲接收換能器T，其中聲發(fā)射換能器S為環(huán)形，在其環(huán)形中間，一圓片狀的聲接收換能器T與其同心設(shè)置，使二者保持均勻間距，并分別通過(guò)導(dǎo)線與電路盒(2)的輸入端相連；該聲發(fā)射換能器S及聲接收換能器T為圖形平面壓電陶瓷晶片，二者可互換使用，即聲發(fā)射換能器S可作為聲接收換能器T來(lái)接收聲波信號(hào)，聲接收換能器T也可作為聲發(fā)射換能器S來(lái)發(fā)射聲波信號(hào)，二者通過(guò)電路盒中的電路控制其交換使用；在腔體1的外部還設(shè)有溫度傳感器10，使發(fā)明還可同時(shí)測(cè)量海水溫度。
如圖4～6所示，本發(fā)明的工作原理是聲波在水中傳播大約是以C＝1500米/秒的速度傳播。當(dāng)聲波頻率很高，并且其發(fā)送或接受的換能器面積大于幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，可以認(rèn)為是平面波向前輻射，其聲波在水中比光波傳播的距離要遠(yuǎn)的多，聲波的衰減主要是水中的懸浮物顆粒的散射吸收，因而用聲學(xué)法測(cè)量渾濁度是可行的；由于海水中的聲速與海水的溫度等參數(shù)有關(guān)，所以本發(fā)明經(jīng)處理還可同時(shí)測(cè)量溫度和流速等相關(guān)功能聲波在水中大約以聲速C＝1500米/秒傳播，以小聲源低頻率發(fā)生時(shí)，一般是以球面波向外輻射，只有當(dāng)聲波的波長(zhǎng)是遠(yuǎn)小于發(fā)聲體尺寸時(shí)，才以平面波向前輻射，而且水介質(zhì)聲吸收隨聲頻率的增加而增加，對(duì)水中渾濁度也隨頻率的增加而愈加敏感，同時(shí)平面波聲衰減與距離成比例；利用超聲頻的高頻諧波會(huì)引起接收聲脈沖幅度衰減，此衰減包絡(luò)曲線的衰減大小與水中渾濁度成比例關(guān)系，因此可以從理論和實(shí)際標(biāo)定中反演求出實(shí)際的應(yīng)用公式。
常規(guī)的聲波發(fā)射與接收裝置可固定在兩側(cè)，也可將其固定安放于一側(cè)，并且增加了一只ΔL＝5mm的反射板，以達(dá)到聲波全反射的目的。這樣做可以大大縮小測(cè)量體的幾何尺寸，操作更加方便。在諧振頻率器件中，選擇f＝1*106---3*106的晶片，采用高質(zhì)量的壓電陶瓷換能器，經(jīng)過(guò)多種形式的專(zhuān)用智能數(shù)字分析儀器，記錄了脈沖聲波的諧波一次、二次……n次譜線的能量曲線，進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)其聲波脈沖形成的逐漸衰減與渾濁度標(biāo)定值差異的規(guī)律，并經(jīng)過(guò)多次操作試驗(yàn)和專(zhuān)用智能數(shù)字分析系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)算和總結(jié)，可以得到聲波的衰減系數(shù)為α(f.β)＝A+B×f+C×β+D×β×f+F×f2式中β的單位mg/l；f的單位KHz；A、B、C、D、F為常數(shù)。
將聲發(fā)射換能器S及聲接受換能器T嚴(yán)格相對(duì)平行設(shè)置，X為其間隔距離，聲發(fā)射換能器S發(fā)射一個(gè)聲脈沖，聲接受換能器T接收到一個(gè)直達(dá)聲脈沖之后，還會(huì)受到一連串的換能器之間的反射脈沖，每個(gè)脈沖為Ai(t)，經(jīng)過(guò)多次反射，其聲脈沖振幅在不斷衰減，此衰減在純凈海水和渾濁海水中有較大的差別，其差別的大小與渾濁度成比例關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于包括具有封閉端面的柱形腔體(1)、設(shè)置于腔體(1)一端面內(nèi)側(cè)的換能器(3)以及設(shè)于腔體(1)內(nèi)的電路盒(2)，其中腔體(1)具有換能器(3)的端面外部安裝有與換能器(3)相對(duì)平行的反射板(5)，腔體(1)的另一端面設(shè)有出線孔，電路盒(2)的輸出信號(hào)通過(guò)電纜(8)從該出線孔引出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在出線孔與電纜(8)之間設(shè)有密封件。
2.按權(quán)利要求1所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于所述密封件為設(shè)于出線孔內(nèi)側(cè)的O型圈及從出線孔外插入并可與O型圈壓緊接觸的蓋。
3.按權(quán)利要求1所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于所述換能器(3)為由發(fā)射換能器(S)及接收換能器(T)組成的在同一平面上、同心設(shè)置結(jié)構(gòu)，二者具有均勻間距，分別通過(guò)導(dǎo)線與電路盒(2)的輸入端相連。
4.按權(quán)利要求3所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于所述聲發(fā)射換能器(S)及聲接收換能器(T)為圖形平面壓電陶瓷晶片。
5.按權(quán)利要求1所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于所述反射板(5)與具有換能器(3)的端面外周通過(guò)支架(9)及固緊裝置相連。
6.按權(quán)利要求5所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于所述支架(9)的數(shù)量為3～6個(gè)。
7.按權(quán)利要求1所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于在所述腔體(1)的外部還設(shè)有溫度傳感器(10)。
8.按權(quán)利要求1所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于在所述腔體(1)為不銹鋼材料。
9.按權(quán)利要求1所述海洋聲學(xué)濁度傳感器，其特征在于在腔體(1)外表面及電纜(8)出線孔處具有硫化橡膠層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種海洋聲學(xué)濁度傳感器，包括具有封閉端面的柱形腔體、設(shè)置于腔體一端面里側(cè)的換能器以及設(shè)于腔體內(nèi)的電路盒，其中腔體具有換能器的端面外部安裝有與換能器相對(duì)平行的反射板，腔體的另一端面設(shè)有出線孔，電路盒的輸出信號(hào)通過(guò)電纜從該出線孔引出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在出線孔與電纜之間設(shè)有密封材料。本發(fā)明制作容易，不易受耐壓、密封等條件的限制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N29/02GK1800819SQ20041001141
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者鄭大鈞, 曾志剛, 鄭進(jìn)鴻, 李兆學(xué) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 青島慶寧環(huán)境測(cè)控科技有限公司