[发明专利]一种光学水体流速传感器与流速计算方法

说明书

本发明提供一种光学水体流速传感器与流速计算方法，其中传感器装置包括：球形耐压防水舱，在球形耐压防水舱内密封设置有MCU控制器、电源、姿态传感器、电子罗盘、窗口测速模块；所述姿态传感器、电子罗盘、以及窗口测速模块均与MCU控制器连接，电源为MCU控制器供电；在所述球形耐压防水舱上设置有透明光学窗口，所述窗口测速模块设置在透明光学窗口所在位置。本发明提供的传感器，可以直接测量计算真实的水体流速、不受环境因素的影响、可以获取高精度的水体流速、水平面流速与垂向流速、对传感器周围水体流速的影响较小、可以捕捉水体流向的快速变化、捕捉中小尺度的漩涡现象。

技术领域

本发明涉及海洋仪器技术领域，尤其涉及一种光学水体流速传感器与流速计算方法。

背景技术

常用的水体流速传感器一般分为机械式、电磁式与声学式。

机械式流速传感器主要由螺旋桨、导流罩、舱体构成。采用测量螺旋桨转速的方式间接计算水体的流动速度，利用导流罩使得传感器舱体与水体流向保持一致来测量水体流动方向。机械式机械式流速传感器的缺点：1、受螺旋桨惯性的影响，测量流速需要一段时间启动，并不能准确反映瞬时流速。2、长期使用因海水腐蚀造成螺旋桨轴承锈蚀，增加转动阻力无法准确测量流速。3、对于快速变化流动方向的水体或漩涡现象，因舱体与导流罩惯性无法快速测量。

电磁式流速传感器主要利用环形线圈的电流在传感器周围产生一个磁场，流动的水体在磁场中运动产生电势，通过电势的大小间接计算水体流速。利用导流罩使得传感器舱体与水体流向保持一致来测量水体流动方向。电磁式流速传感器的缺点：1、流动的水体产生的电势收温度、水体电导率等环境因素的影响较大测量精度较低。2、无法测量淡水水体的流速。3、因存在线圈结构对周围水体的流速有一定阻碍作用，影响测量结果的真实性。4、对于快速变化流动方向的水体或漩涡现象，因舱体与导流罩惯性无法快速测量。

声学式流速传感器主要利用水声换能器发射声波，通过声波与流体之间产生的多普勒效应间接计算水体的流速与流向。声学式流速传感器：1、多普勒效有受水体温度、密度、压强等环境因素影响较大，测量精度较低。2、声学式流速传感器测量范围有一定限制，并不能测量传感器附近区域的水体流速。3、声学式流速传感器只能反映宏观粗略的水体流速与流向，无法准确真实的反应单点水体流速与流向。4、声学式流速传感器受测量机理的限制无法在现有的测试水池、水槽中进行测量与标定。

综上，现有水体流速传感器只能测量单一平面上的水体流速流向，无法测量水体在空间中的流速流向。现有水体流速传感器不能有效测量水体漩涡现象。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种可以获取高精度的水体流速光学水体流速传感器与流速计算方法。

一种光学水体流速传感器，包括：球形耐压防水舱，在球形耐压防水舱内密封设置有MCU控制器、电源、姿态传感器、电子罗盘、窗口测速模块；

所述姿态传感器、电子罗盘、以及窗口测速模块均与MCU控制器连接，电源为MCU控制器供电；

在所述球形耐压防水舱上设置有透明光学窗口，所述窗口测速模块设置在透明光学窗口所在位置。

进一步地，如上所述的光学水体流速传感器，所述窗口测速模块包括：

DSP处理器、CMOS传感器、显微成象透镜组、发光二极管；所述发光二极管接收到MCU控制器的控制信号后点亮并照明水体中的悬浮微粒、气泡；水体中悬浮微粒、气泡的图像信息经过显微成像透镜组放大后传输至CMOS传感器，CMOS传感器将图像信息转化为数字矩阵传输给DSP处理器，DSP处理器接收到数据矩阵后经过与上一帧矩阵对比得到图像变化的速度与方向数据，并将速度与方向数据传输至MCU控制器。

进一步地，如上所述的光学水体流速传感器，在所述球形耐压防水舱上设置有4个透明光学窗口，每个窗口对应设置有一个所述窗口测速模块。