[发明专利]一种正交悬臂梁结构的二维湍流传感器

说明书

本发明公开一种正交悬臂梁结构的二维湍流传感器，包括探头、护套、前梁、第一敏感元件、转换连接器、后梁、第二敏感元件、后座、密封杆和调理电路；探头安装在护套的前端，前梁安装在护套的前段内部，前梁竖直放置，第一敏感元件安装在前梁上；所述转换连接器的前端面设置垂向槽口，前梁的尾部插入垂向槽口中，后端面水平方向上设置水平槽口，后梁的头部插入水平槽口中，所述第二敏感元件安装在后梁上；前梁和后梁在空间上呈正交垂直分布，组成悬臂梁结构；第一敏感元件和第二敏感元件均与调理电路相连接。本发明实现了对湍流的二维物理特性和空间特征的高分辨率观测，可为微尺度湍流的形成、消失机理及运动轨迹等研究提供高可靠探测手段。

技术领域

本发明涉及湍流传感器领域，具体地说是涉及一种正交悬臂梁结构的二维湍流传感器。

背景技术

海洋湍流是引起海洋混合最重要的形式之一，它对海水的动量、热量和质量输运有巨大作用，目前已成为物理海洋学的重要研究领域。湍流在形成和消散过程中，在物理性质上并非各向同性，而在尺度上，则呈现一定空间分布特性。

随着人类对海洋湍流的重要性认知度增加、对湍流机理研究更加深入和细致，密跃层、边界层、深海等典型海洋现象对湍流观测提出了高分辨的矢量演化信息需求。海洋湍流的观测主要通过海洋观测仪器实现，由于湍流混合具有极强的间歇性和各项异性特性，故能否研制可实现对湍流二维形成和消散等机理特性观测的二维、高分辨率、低成本的测湍传感器，成为人类能否进一步关心海洋、认识海洋和经略海洋的关键。

国内外当前湍流传感器的研究现状，均以一维传感为主。单点式一维湍流传感器只能实现单点一维湍流测量，由于湍流在形成和消散过程中并非各向同性和二维空间分布特性，故一维式传感器无法捕获湍流空间多维尺度信息，这对认识湍流运动机理非常不利。单点式二维湍流传感器目前案例极少。若要实现对湍流的二维观测，常规的方法是采用将两个单点式一维湍流传感器按照正交方向进行装配使用，这种配置方式存在很大弊端：由于需要避免两传感器扰流耦合，两传感器需要间隔一定距离。若距离过大，这样近似等效实际无法精确获取单点的湍流二维模型；若距离过小，传感器的耦合扰动严重，且对加工和安装工艺带来挑战，这种对湍流二维观测方案不能实现单点的高精度、微结构下的湍流二维观测。而采用新型的基于压阻效应，利用纤毛-十字梁和硅纳米线敏感单元实现湍流二维探测的方案，存在探头与十字悬臂梁连接脆弱性等困难，对传感器加工工艺和精度等要求较高，在传感器可靠性和低成本化等方面存在挑战。

另外，湍流传感器技术主要集中在美国、德国和加拿大等国家，普遍存在造价高问题，例如国外的PNS系列和SPM系列湍流传感器，传感器均为单点式一维传感器，且单价至少数万元人民币，这为大面积、广海域的海洋观测带来成本问题，极大的阻碍了人类对海洋的认识、探索和开发利用。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种正交悬臂梁结构的二维湍流传感器。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种正交悬臂梁结构的二维湍流传感器，包括探头、护套、前梁、第一敏感元件、转换连接器、后梁、第二敏感元件、后座、密封杆和调理电路；

所述探头安装在护套的前端，且护套的前端面与探头预留一定距离；护套为纺锤形壳体结构，内部中空，所述前梁安装在护套的前段内部；

前梁为平面三角形结构的等强度梁，竖直放置，前梁的头部尖端处设置有连杆，在探头的尾部设置有与连杆相配合的插孔，连杆插入插孔中；所述第一敏感元件安装在前梁上；

所述转换连接器的截面呈十字形，转换连接器的前端面竖直方向上设置垂向槽口，前梁的尾部插入垂向槽口中，转换连接器的后端面水平方向上设置水平槽口；

所述后梁为平面梯形结构的等强度梁，头部窄，尾部宽，水平放置，后梁的头部插入水平槽口中，所述第二敏感元件安装在后梁上；前梁和后梁在空间上呈正交垂直分布，二者共同组成悬臂梁结构；