CN112684206B - 一种永磁式表面流场传感器及传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁式表面流场传感器及传感器阵列。该传感器包括：电极、导电基底、绝缘层、基板和磁铁；所述电极固定于所述导电基底上，所述导电基底固定于所述基板的第一部分上，所述绝缘层固定于所述基板的第二部分上，所述磁铁附着于所述基板的底面。本发明可以降低水下速度里程计的尺寸，并实现表面安装。

Description

一种永磁式表面流场传感器及传感器阵列

技术领域

本发明涉及流场传感器领域，特别是涉及一种永磁式表面流场传感器及传感器阵列。

背景技术

传感器作为水下机器人，水下运载工具及水下滑翔机等水下装备的重要组成设备，直接决定了水下装备的性能，不同于陆上或空中装备，水下速度测量一直是一个较为复杂的过程。由于无法使用GPS/GNASS/北斗等导航***，也无法使用无线电导航方法，现有水下装备导航与制导依赖于笨重的惯性制导组件及磁罗盘等装置；水下速度计，水下里程计对水下装备的导航与制导有着重要的作用。由于水下机器人，水下滑翔机等装备对传感器的功耗尺寸重量要求极高，为了减少能源消耗，需要尽量不破坏装备表面的流线外形，而现有的水下水下里程计无法实现表面安装。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁式表面流场传感器及传感器阵列，通过对流体表面的流场分布测量实现对流速的测量，以降低水下速度里程计的尺寸，并实现表面安装。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种永磁式表面流场传感器，包括：电极、导电基底、绝缘层、基板和磁铁；所述电极固定于所述导电基底上，所述导电基底固定于所述基板的第一部分上，所述绝缘层固定于所述基板的第二部分上，所述磁铁附着于所述基板的底面。

可选的，所述电极为银电极、氯化银电极或金电极。

可选的，所述电极通过化学镀方法沉积在所述导电基底上。

可选的，所述导电基底为铜箔基底，所述铜箔基底通过掩膜曝光图案转移方法将金属铜沉积到所述基板表面的第一部分。

可选的，所述基板采用高分子树脂或玻璃纤维复合材料制作。

可选的，所述磁铁为稀土钕磁铁，所述稀土钕磁铁通过环氧树脂附着在所述基板上。

本发明还提供一种永磁式表面流场传感器阵列，包括：多个电极组、多个共模电压抑制电极、导电基底、绝缘层、基板和磁铁；

所述多个电极组固定于所述导电基底的第一部分上；所述绝缘层固定于所述导电基底的第二部分上，所述绝缘层在所述导电基底的第一部分处为镂空状态；所述导电基底固定于所述基板上，所述磁铁附着于所述基板的底面；

多个电极组的结构相同，每个电极组对应一个共模电压抑制电极，每个电极组包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；电极组对应的共模电压抑制电极位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的中间位置，且固定于所述导电基底上；所述第一电极和所述第二电极位于第一测量方向，且关于所述共模电压抑制电极对称；所述第三电极和所述第四电极位于第二测量方向，且关于所述共模电压抑制电极对称，所述第一测量方向与所述第二测量方向垂直。

可选的，所述绝缘层和所有电极组共同构成所述永磁式表面流场传感器阵列的测量表面。

可选的，所述导电基底为铜箔基底，所述铜箔基底通过掩膜曝光图案转移方法将金属铜沉积到所述基板表面上。

可选的，所述磁铁为稀土钕磁铁，所述稀土钕磁铁通过环氧树脂附着在所述基板上。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的传感器及传感器阵列属于开放式边界测量，对流场环境没有限制，无额外流动阻力。由于本发明传感器及传感器阵列中所有部件均在同一表面，对流场无干扰，不会破坏安装物体表面的特殊流体线形。相比于传统交流线圈励磁电磁流量计，本发明使用永磁体进行励磁，具有功耗低，重量轻，制造方便及信号处理简单等优点。相比于所有的电磁流量计，本发明使用表面磁场进行开放式边界测量，能够获取包括流体表面流动流速在内的流场分布信号，通过多个平面电极阵列可以实现对特定区域内的流场分布测量。

相比于应用在反应堆液态金属等环境下的永磁流量计，本发明的传感器阵列引入了共模电压抑制电极，解决了永磁励磁电磁流体传感器应用在离子导电液体中面临的漂移电压信号干扰问题。通过共模电压抑制电极反相消除两处测量电极处的共模电压，抑制了存在共模电压时，由于差分阻抗不平衡所带来的差模电压漂移。

而且，本发明无需破坏装备表面流线外形，不产生附加流动阻力，无需励磁电流带来了超低功耗，极低的重量与体积，且非常容易通过电路板或柔性电路技术进行大批量低成本的批量生产

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的立体结构图；

图2为本发明实施例1的***图；

图3为本发明实施例2的立体结构图；

图4为本发明实施例2的***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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种永磁式表面流场传感器，如图1和图2所示，包括电极1、导电基底2、绝缘层3、基板4和磁铁5。所述电极1固定于所述导电基底2上，所述导电基底2固定于所述基板4的第一部分上，所述绝缘层3固定于所述基板4的第二部分上，所述磁铁5附着于所述基板4的底面。

具体的，电极1为银电极、氯化银电极或金电极，通过化学镀方法沉积在导电基底2的表面，用于直接接触诸如水，氯化钠溶液，海水等离子导电流体。导电基底2为铜箔基底，通过掩膜曝光图案转移方法将金属铜按照所需图形沉积到基板4表面，构成导电回路将电信号传递到信号放大器，电极1电压差正比于此处流速。图1和图2中示例的铜箔基底为矩形，其中电极1和导电基底2的数量均为2个，且电极1与导电基底2一一对应，两个导电基底2分别位于基板4的两侧，即为第一部分。

绝缘层3通过掩膜曝光图案转移方法利用紫外光固化树脂形成电极1间的表面绝缘层3附着于基板4的第二部分，绝缘层3位于传感器最外层，与电极1处于同一表面，图1和图2中示例的绝缘层3位于基板4的中间部分。本实施例中基板4采用高分子树脂或玻璃纤维复合材料等制作。磁铁5为稀土钕磁铁，表面磁场强度可达0.4T以上，使用环氧树脂等材料附着于基板4上。

本实施例中稀土钕强磁铁附着于传感器基板4产生垂直基板4表面的强磁场B，离子导电流体流经由电极1、电极间绝缘层3构成的传感器测量表面，由于麦克斯韦力作用导致流体表面离子电荷的重新分布形成表面电势差E，作用于两电极距离为D的电极1处，此电势差正比于电极1处的流体流速V在垂直于两电极间距D方向上的分量，比例系数不仅与传感器磁场强度B，电极间距D，还与流场在垂直传感器表面方向上的分布有关。表面电势差E经由铜箔基底传导至放大器进行后续测量及处理。

实施例2

本实施例提供一种永磁式表面流场传感器阵列，如图2和图3所示，包括：多个电极组、多个共模电压抑制电极10、导电基底2、绝缘层3、基板4和磁铁5。所述多个电极组固定于所述导电基底2的第一部分上；所述绝缘层3固定于所述导电基底2的第二部分上，所述绝缘层3在所述导电基底2的第一部分处为镂空状态；所述导电基底2固定于所述基板4上，所述磁铁5附着于所述基板4的底面。与实施例1相同，基底为铜箔基底，通过掩膜曝光图案转移方法将金属铜按照所需图形沉积到基板4表面，构成导电回路将电信号传递到信号放大器；基板4为传感器的基板，使用高分子树脂，玻璃纤维复合材料基板等制造；磁铁5为稀土钕磁铁，表面磁场强度可达0.4T以上，使用环氧树脂等材料附着于传感器基板4上。

本实施例中多个电极组的结构相同，每个电极组对应一个共模电压抑制电极，每个电极组包括第一电极6、第二电极8、第三电极7和第四电极9，第一电极6、第二电极8、第三电极7和第四电极9使用化学镀沉金工艺沉积于铜箔基底上。电极组对应的共模电压抑制电极位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的中间位置，且固定于所述导电基底2上，用于抑制共模电压引起差模电压分量形成的极化漂移电压干扰。所述第一电极和所述第二电极位于第一测量方向，且关于所述共模电压抑制电极对称；所述第三电极和所述第四电极位于第二测量方向，且关于所述共模电压抑制电极对称，所述第一测量方向与所述第二测量方向垂直。

本实施例中稀土钕强磁铁附着于传感器基板4产生垂直基板表面的强磁场B，离子导电流体流经由电极6、7、8、9、10以及电极间绝缘层3构成的传感器测量表面，由于麦克斯韦力作用导致流体表面离子电荷的重新分布形成表面电势分布，测量电极6、7、8、9处的电位分别为P6、P7、P8、P9)，两电极距离为D1的印刷电极6、8处的电势差E1＝P6-P8，此电势差E1正比于印刷电极6、8处的流体流速V在垂直于两电极间距D1方向上的分量；作用于两电极距离为D2的印刷电极7、9处，此电势差E2＝P7-P9正比于印刷电极7、9处的流体流速V在垂直于两电极间距D2方向上的分量，比例系数不仅与传感器磁场强度B，电极间距D1、D2，还与流场在垂直传感器表面方向上的分布有关。表面电势P6、P7、P8、P9经由铜箔基底2传导至放大器进行后续测量及处理。

由于电双层(DEL)的存在，金属电极表面极化电压会以共模电压的形式施加至差分放大器的输入端，由于差分阻抗不平衡，共模电压会引起差模电压分量形成极化漂移电压干扰测量结果，因此本发明提出了共模电压抑制电极方法，将共模电压E3＝(P6+P7+P8+P9)/4经反相器输出至共模电压抑制电极10实现对极化漂移电压的主动抑制，有效提高了测量精度及可靠性。

相比传统柱形封闭式边界电磁流量计，本发明所述传感器属于开放式边界测量，对流场环境没有限制，不产生额外流动阻力。由于所有部件均在由测量电极1和电极间绝缘层3构成的传感器测量表面，对流场无干扰，不会破坏安装物体表面的特殊流体线形。

相比于传统交流线圈励磁电磁流量计，本发明使用永磁体5进行励磁，无需电流励磁，重量轻，制造方便及信号处理简单等优点，同时永磁体5的表面磁场强度能轻松达到0.4T以上，远高于电流线圈励磁所能达到的0.04T，测量灵敏度是传统电流线圈励磁的10倍以上。

相比于所有的电磁流量计，本发明使用表面磁场进行开放式边界测量，能够获取包括流体表面流动流速在内的流场分布信号，通过多个平面电极阵列(6，7，8，9，10)可以实现对特定区域内的流场分布测量，电势差E1，E2之比为流速矢量信号，不仅能够测量某处流速的大小，还能测量某处流速的矢量方向。

相比于应用在反应堆液态金属等环境下的永磁流量计，本发明引入了共模电压抑制电极10，解决了永磁励磁电磁流体传感器应用在离子导电液体中面临的漂移电压信号干扰问题。通过共模电压抑制电极反相消除两处测量电极处的共模电压E3＝(P6+P7+P8+P9)/4，抑制了存在共模电压时，由于差分阻抗不平衡所带来的差模电压漂移。

相比于多普勒流速计，本发明可以实现对表面流场流速的精细测量，体积/重量均远低于现有流场传感器，由于不需要励磁线圈，本发明功耗低于10mA电流。

相比于拖曳式流速计，本发明可以安装于水下载具/水下机器人/鱼雷武器/水下滑翔机探测器的任意表面上，不破坏原有流体线性，不带来附加流动阻力。传感器基板所用高分子树脂材料本身具有较好柔性，对于曲率较大表面可使用聚氨酯/聚亚酰胺等弹性材料基底。

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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种永磁式表面流场传感器阵列，其特征在于，包括：多个电极组、多个共模电压抑制电极、导电基底、绝缘层、基板和磁铁；

所述多个电极组固定于所述导电基底的第一部分上；所述绝缘层固定于所述导电基底的第二部分上，所述绝缘层在所述导电基底的第一部分处为镂空状态；所述导电基底固定于所述基板上，所述磁铁附着于所述基板的底面；

多个电极组的结构相同，每个电极组对应一个共模电压抑制电极，每个电极组包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；电极组对应的共模电压抑制电极位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的中间位置，且固定于所述导电基底上；

所述第一电极和所述第二电极位于第一测量方向，且关于所述共模电压抑制电极对称；所述第三电极和所述第四电极位于第二测量方向，且关于所述共模电压抑制电极对称，所述第一测量方向与所述第二测量方向垂直。

2.根据权利要求1所述的永磁式表面流场传感器阵列，其特征在于，所述绝缘层和所有电极组共同构成所述永磁式表面流场传感器阵列的测量表面。

3.根据权利要求1所述的永磁式表面流场传感器阵列，其特征在于，所述导电基底为铜箔基底，所述铜箔基底通过掩膜曝光图案转移方法将金属铜沉积到所述基板表面上。

4.根据权利要求1所述的永磁式表面流场传感器阵列，其特征在于，所述磁铁为稀土钕磁铁，所述稀土钕磁铁通过环氧树脂附着在所述基板上。

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