一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种压电与光电复合的液体流速流向测量装置，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；本实用新型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。本实用新型结构简单，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】-种压电与光电复合的流体流速流向测量装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于流体测量技术，涉及了一种测量流体流速流向的装置，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。
【背景技术】
[0002] 目前的流速测量领域，一般采用螺旋奖等旋转机构，流体流过时，推动螺旋奖等旋 转机构转动，把旋转机构转动的速度换算后得到流体流速。该种测量方式，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W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该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F，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W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。 实用新型内容
[0003] 本实用新型提供一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置，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] 本实用新型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W及安装在圆柱体内部中也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，W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，W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，本实用新型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W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] 底座的底面中也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，W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也的坐标值，W得到流体的流 向。
[0012] 本实用新型为流体定点监测提供了一种解决方案。本实用新型装置结构简单，体 型小巧，可W减少对流体的扰动，采用压电技术测量流体的流速，采用光电定位技术测量流 体的流向，可W得到与测量装置底座平面平行的二维流体信息，实施例中的装置可W测量 从0到lOm/s的流速，精度可达0. OOlm/s，并实现0-360度的流向数据测量，特别适合低速 流场信息的精确测量。通过选择相应的压电纤维的材料及数量，可W实现更大范围的流速 测量，理论上可W实现0-50m/s流速的测量，测向的范围均为平面0-360度。该装置还可W 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本实用新型提供的测量装置实例结构示意图；
[0014] 图2a为圆柱体的截面图，图化为压电纤维束的截面图；
[0015] 图3为激光发射准直模块结构图；
[0016] 图4为装置在流体冲击下的形变原理图；
[0017] 图5为测速标定示意图；
[0018] 图6为测向平面光斑运动示意图；
[0019] 图中，1为圆柱体，2为压电纤维束，3为激光发射准直模块，4为弹性阻尼体，5为底 座，6为二维PSD位移传感器，7为PSD承载及信号放大电路板，8为测量数据处理模块，9为 防水信号线转接口，10为电路板支撑柱，12为上压电集电极，13为上压电集电极输出导线， 14为下压电集电极，15为下压电集电极输出导线，16为激光驱动模块，17为激光二极管，18 为准直透镜，19为微小透光孔，20铜质散热管，21为导热塑料管，22为调速电机，23为直线 导轨，24为拉绳，25为载物台，26为水槽，27为水，11为壳体。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是， 对于该些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此 夕F，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲 突就可W相互组合。
[0021] 为了克服现有的流速、流向测量方法的缺陷，并完成流速流向测量的同步，本实用 新型采用间接测量法，将流体的流动转换为浸入流体中固定在弹性底座上的圆柱体的偏转 运动，该圆柱体内部中也轴线区域安装有压电纤维束，通过建立圆柱体的偏转角度、偏转方 向与流体流速、流向的关系实现测量。
[0022] 如图I所示，本实用新型提供的测量装置包括圆柱体1、压电纤维束2,激光发射准 直模块3,弹性阻尼体4,底座5,二维PSD任OSition Sensitive Detector)位移传感器6， PSD承载及信号放大电路板7,测量数据处理模块8,上压电集电极12, W及下压电集电极 14。
[0023] 弹性阻尼体4安装在底座5上，圆柱体1安装在弹性阻尼体4上，圆柱体1与弹性 阻尼体4采用同一种弹性材料，一体成型，弹性模量在2. 5MPa W上，硬度在邵氏A40-60之 间。圆柱体1内安装有压电纤维束2和激光发射准直模块3,压电纤维束2位于圆柱体1内 部中也轴线区域，压电纤维束2的长度优选为圆柱体1总长的3/4左右，压电纤维束2上端 安装有上压电集电极12。压电纤维束2下端安装有下压电集电极极14,并固定在激光发射 准直模块3的外壳上。上压电集电极12和下压电集电极14,负责收集压电纤维两端产生的 电荷两个电极极性相反，从而形成电压差。
[0024] 激光发射准直模块3下端穿过弹性阻尼体4进入到底座5内部，激光发射准直模 块3负责发射准直的激光光线。实施例中，底座5内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间， 呈放射状的目的是为了配合激光的运动。
[00巧]底座5空腔内固定安装有二维PSD位移传感器6、PSD承载及信号放大电路板7和 测量数据处理模块8。
[0026] PSD承载及信号放大电路板7与测量数据处理模块8采用层叠安装，中间用电路板 支撑柱10连接并固定在底座5的底面，底座5的底面中也安装有防水信号线转接口 9。防 水信号线转接口 9用于传输数据，还用于为测量数据处理模块8、激光发射准直模块3、PSD 承载及信号放大电路板7提供电源。
[0027] 测量数据处理模块8通过上压电集电极输出导线13与上压电集电极12连接，通 过下压电集电极输出导线15与下压电集电极14连接，获得压电纤维束2的压电电压信号， 并计算得到液体的流速。
[0028] 二维PSD位移传感器6用于接收激光发射准直模块3出射的激光束，二维PSD位 移传感器6发生光电反应，将电信号输入到PSD承载及信号放大电路板7。PSD承载及信号 放大电路板7负责将二维PSD位移传感器6发出的测量信号放大并传输到测量数据处理模 块8进行处理。测量数据处理模块8利用该测量信号得到光斑中也的坐标值，计算得到流 体的流向。
[0029] 测量数据处理模块8主要采用单片机等智能芯片处理测量数据并输出给外部设 备。
[0030] 本实用新型实例中激光发射准直模块3的结构如图3所示，主要由壳体11、激光驱 动模块16、激光二极管17和准直透镜18构成，壳体28为中空圆柱状，激光驱动模块16位 于壳体28顶部，激光二极管17位于壳体28的上部，准直透镜18位于壳体28的下部。激光 二极管17发射激光，到达准直透镜18,经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束。壳 体28底部设有微小透光孔19。微小透光孔19保证了经准直后的出射激光束到达二维PSD 位移传感器6产生的光斑直径足够小。
[0031] 壳体28可W采用铜质散热管20和导热塑料管21嵌套构成，主要起散热和固定作 用。
[0032] 测量数据处理模块8输入经PSD承载及信号放大电路板7放大后的测量信号并对 其进行处理，最后将结果输出。测量数据处理模块8包括信号输入接口，模拟数字信号转换 单元，单片机，W及信号输出接口等。单片机是主要信号处理元件，从二维PSD位移传感器6 输出的光斑位置信号经信号输入接口和模拟数字信号转换单元放大并模数转换后，输入到 单片机中运算，得到光斑的位置坐标，再经信号输出接口输出。单片机可W是51单片机，可 W是PIC单片机，或者其它的等等，只要能实现数字运算并有多路输入输出即可，将光斑位 置信息获取后，采用本实用新型的测量方法计算得到流速方向值和速度值。
[0033] 利用上述本实用新型装置进行压电测量的方法如下：
[0034] 如图4所示，在流水冲击下，压电纤维束2发生扭转弯曲，产生压电信号，压电纤维 束2两端的集电极分别产生电荷，并形成压差，产生压电电压信号V，也就是压电纤维束2的 表面电压Vp,随着流速V的增加，压电纤维束2弯曲程度增大，压电信号变强，电压信号V也 增加，并使得包含有压电纤维束2及激光发射准直模块3的圆柱体1持续发生偏转，激光发 射准直模块3发出的激光方向也持续偏转，在二维PSD位置传感器6上的光斑位置也持续 偏转，且光斑的偏转方向与流体冲击的方向恰好相反，反之，随着流速V的减小，压电纤维 束2弯曲程度减小，压电信号变弱，电压信号V也减小，在弹性阻尼体4的作用下，仍然使得 包含有压电纤维束2及激光发射准直模块3的圆柱体1持续发生偏转，但偏转量逐渐减少， 直到流体速度降为零，圆柱体1回复到初始位置，激光发射准直模块3发出的激光方向也回 复到初始位置，为二维PSD位移传感器6的中也。该样，测量激光光斑在二维PSD位置传感 器上的位置坐标，即可得到对应的流体流动方向，即本实用新型中的光电测量方法；建立压 电电压信号V与流速V的关系式，测量压电电压信号V的大小，即可得到对应的流体流速的 大小。
[00巧]采用压电技术方法，建立压电电压信号V与流速V的关系式的具体步骤是：
[0036] 1.流体流速与圆柱体1受力形变之间的关系为：
[0037] 流体对圆柱体1冲击施加的力
[003引（：!_)
[003引其中，P为流体密度，V为流体速度，A为流体在圆柱体1上的作用面积，Cd为作 为圆柱体1的拖拽力系数。
[0040] 2.圆柱体1受力产生弯矩M为
[0041] M=FJ = ^，、:'-AC'il[2、
[0042] 其中，1为圆柱体1的长度。
[0043] 3.圆柱体1与压电纤维束2组成的整体同时弯曲变形后，具有W下关系：
[0044] M = Mp+Msm (3)
[0045]
【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，以 及测量数据处理模块； 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，所述压电纤维束 的长度为所述圆柱体总长的3/4。
4. 根据权利要求2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。
5. 根据权利要求2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 直模块包括壳体、激光驱动模块、激光二极管和准直透镜，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。
【文档编号】G01P13/02GK204129066SQ201420491549
【公开日】2015年1月28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