一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种压电与光电复合的液体流速流向测量装置及其方法，装置包括圆柱体，压电纤维束，激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，PSD承载及信号放大电路板，以及测量数据处理模块；本发明利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。本发明结构简单，体型小巧，可以减少对流体的扰动，特别适合低速流场信息的精确测量。该装置可以安装在大型水下运载设备或平台的外围，提供其外围流场信息的监测。
【专利说明】一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于流体测量技术，涉及了一种测量流体流速流向的装置及其方法，具体地说，提出了一种采用压电技术和光电技术相结合的流速流向测量装置与方法。
【背景技术】
[0002]目前的流速测量领域，一般采用螺旋桨等旋转机构，流体流过时，推动螺旋桨等旋转机构转动，把旋转机构转动的速度换算后得到流体流速。这种测量方式，对于流体速度较高、不需要实时精确测量的环境是可行的，但对于需要精确实时测量的环境以及流速微小流体的测量，因其旋转机构机械传动的滞后原因造成的误差较大，往往测量效果不佳，同时，旋转机械结构导致了这种设备的可靠性及寿命受到影响，长期使用会造成累积误差，另夕卜，目前的流速仪往往构型较大，造成对流体流动过程的扰动，不利于需要精确保持流体性状的测量。对于可同时测得流速和流向的设备，目前主要采用超声波多普勒技术、激光技术等，虽然可以精确测量流体环境数据，但成本较高、造价昂贵，且结构复杂、本体及附属设备体型较大、不易操作，作为测量平台在水下运载设备上不易安装使用，且激光测量技术在浑浊水体不宜使用。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法，目的在于为流体监测提供一种方便、有效、简单和快捷的测量方式。
[0004]本发明提供的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置包括利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压电电荷，其两端产生电压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束电压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。
[0005]作为上述技术方案的优选，本发明装置的具体实现结构为:该装置还包括激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，PSD承载及信号放大电路板，测量数据处理模块；
[0006]弹性阻尼体安装在底座上，圆柱体安装在弹性阻尼体上，圆柱体与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于圆柱体的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差;
[0007]激光发射准直模块安装在圆柱体的下部，激光发射准直模块下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直模块用于发射准直的激光光线；
[0008]底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器、PSD承载及信号放大电路板和测量数据处理模块；
[0009]底座的底面中心安装有防水信号线转接口 ；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为测量数据处理模块、激光发射准直模块、PSD承载及信号放大电路板提供电源；
[0010]测量数据处理模块与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速；
[0011]二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直模块出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号输入到PSD承载及信号放大电路板，PSD承载及信号放大电路板将放大后的电信号提供给测量数据处理模块；测量数据处理模块获得PSD承载及信号放大电路板放大后的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。
[0012]本发明提供的上述流速流向测量装置的测量方法，所述测量数据处理模块获得压电纤维束的表面电压Vp，利用式I计算流体速度V:
【权利要求】
1.一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置包括利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压电电荷，其两端产生电压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束电压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。
2.根据权利要求1所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置还包括激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，PSD承载及信号放大电路板，测量数据处理模块； 所述弹性阻尼体安装在底座上，圆柱体安装在弹性阻尼体上，圆柱体与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于圆柱体的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差; 所述激光发射准直模块安装在圆柱体的下部，激光发射准直模块下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直模块用于发射准直的激光光线； 所述底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器、PSD承载及信号放大电路板和测量数据处理模块； 所述底座的底面中心安装有防水信号线转接口 ；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为测量数据处理模块、激光发射准直模块、PSD承载及信号放大电路板提供电源； 所述测量数据处理模块与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速； 所述二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直模块出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号输入到PSD承载及信号放大电路板，PSD承载及信号放大电路板将放大后的电信号提供给测量数据处理模块；测量数据处理模块获得PSD承载及信号放大电路板放大后的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。
3.根据权利要求1所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述圆柱体与所述弹性阻尼体的弹性模量在2.5MPa以上，硬度在邵氏A40-60之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述压电纤维束的长度为所述圆柱体总长的3/4。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述底座内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间，以配合激光的发射状态。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述激光发射准直模块主要由壳体、激光驱动模块、激光二极管和准直透镜构成，壳体为中空圆柱状，激光驱动模块位于壳体顶部，激光二极管位于壳体的上部，准直透镜位于壳体的下部；激光二极管发射激光，到达准直透镜，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束；壳体底部设有微小透光孔，以保证经准直后的出射激光束到达二维PSD位移传感器产生的光斑直径足够小。
7.一种利用权利要求2所述的装置进行流体流速流向测量的方法，其特征在于，所述测量数据处理模块获得压电纤维束的表面电压Vp，利用式I计算流体速度V:
式中，Vp为压电纤维束的表面电压，Cs为压电纤维束本身静电容量，Ep> Ip分别为压电纤维束的弹性模量、惯矩，Esffl, Ism分别为圆柱体的弹性模量、惯矩，dp为压电纤维束的压电常数，P为流体密度，A为流体在圆柱体上的作用面积，CdS作为圆柱体的拖拽力系数，I为圆柱体的长度，rp为压电纤维束截面半径； 所述测量数据处理模块利用二维PSD位移传感器获得的激光光斑的坐标值(xt，yt)，利用式II计算流体流动方向角度Θ:
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，流体速度V的计算公式为式III:
4、 V — aVp + 1)1^5 式 111 其中，a，b为利用式I，通过标定方法所获得的权值系数。
【文档编号】G01P13/02GK104198756SQ201410431303
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】陈学东, 朱连利 申请人:华中科技大学