双活塞对称阻尼式流量传感器及其检测方法
【专利摘要】本发明提供一种双活塞对称阻尼式流量传感器及其检测方法，传感器探头包括活塞缸和检测箱，活塞缸的两端分别由端盖封闭，活塞缸的中部设置有隔板，隔板两侧分别滑动设置有一活塞，活塞与端盖之间设置有弹簧，端盖上开设有探头安置孔，探头安置孔内设置有光纤检测端，活塞上正对光纤检测端处设置有反光部件，隔板与两个活塞之间的两个腔室分别通过一个流体通路与检测箱相连通，流体通路和气源分别设置于流体在检测箱内部流通路径的相对两侧。以解决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任的问题。本发明属于流量检测领域。
【专利说明】
双活塞对称阻尼式流量传感器及其检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种流量传感器，属于流量传感监测技术领域。
【背景技术】
[0002] 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，常常要用各种传感器来监视和控制生产 过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器 也早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工 程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。本发明是众多类别的传感器之一一一流量传感器。 随着传感器技术的发展，目前已经出现多种多样的流量传感器，最常用的有叶片式、涡街 式、卡门涡旋式、热线式等。但是，诸如叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等传感器，原理 多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜 任。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于:提供一种双活塞对称阻尼式流量传感器及其检测方法，以解 决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多 场合不能很好地胜任的问题。
[0004] 本发明的方案如下：一种双活塞对称阻尼式流量传感器，包括传感器探头、光电转 换器和信号处理器，传感器探头包括活塞缸和设置于活塞缸一侧的检测箱，活塞缸的两端 分别由端盖封闭，活塞缸的中部位置设置有将活塞缸内部密封分隔为左右两个腔室的隔 板，隔板两侧的活塞缸内分别滑动设置有一活塞，活塞与其所在一侧的端盖之间均设置有 弹簧，弹簧的一端固定于活塞上，另一端固定于端盖上，所述两端的端盖上均开设有探头安 置孔，每个探头安置孔内均设置有光纤检测端，活塞上正对光纤检测端处设置有反光部件， 光纤检测端的光纤束由入射光纤和出射光纤集合铠装而成，光纤检测端的出射光纤与光电 转换器相连，光电转换器与信号处理器相连，通过出射光纤所接收信号的变化即可判断反 光部件与光纤检测端之间距离的变化，从而判断出进入活塞两侧的流体的压差；
[0005] 检测箱上具有流体入口和流体出口以使流体流经检测箱的内部，活塞缸中隔板与 两个活塞之间的两个腔室分别通过一个流体通路与检测箱相连通，还包括气源，气源的供 气方向指向两个流体通路的中间位置，且流体通路和气源分别设置于流体在检测箱内部流 通路径的相对两侧，如此设置，当检测箱内的流体不流通时，流入隔板两侧腔室的流体压力 应当相同，则两个活塞的滑动距离相同，而当流体流动后，流入隔板两侧腔室的流体压力是 不同的，则两个活塞的滑动距离不同，这种压力变化就会反映在光纤探头检测的光信号变 化上，即通过该传感器检测出流体流量等信息。
[0006] 气源的喷气方向与检测箱内流体的流通方向相垂直。
[0007] 还包括有光源、Y型耦合器和光纤，光源设置于光纤的一端用于产生光纤信号，光 纤的另一端经Y型耦合器后分为检测光纤和参考光纤，上述光源、Y型耦合器和光纤的组合 共有两组，两组上述组合中的检测光纤一一对应地接入传感器探头两端的光纤检测端，并 作为光纤检测端的入射光纤，两组上述组合中的参考光纤分别单独连接有一个光电转换 器，且光电转换器均与信号处理器相连。光源发出的光信号耦合进入到光纤内，再通过Y型 耦合器分为两路，一路经检测光纤到达光纤检测端，照射到反光部件上，经反射后的反射光 进入接收光纤，由接收光纤传输到光电转换器进行光电转换，再将信号输入信号处理器进 行信号处理;另一路经参考光纤直接传输到光电转换器进行光电转换后也输入到信号处理 器进行信号处理，当活塞左右两侧检测腔内的流体存在压力差时，此时两侧阻尼弹簧被压 缩的长度不同，活塞产生的轴向位移也不同。因此，传感器两侧光纤检测端与反光部件之距 离就会不相等，从而两光纤检测端中接收光纤的输出光信号强度不等，经光电转换及信号 处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔内流体的压力差大小；
[0008] 传感器探头中，隔板与活塞缸为一体式结构或隔板密封固定于活塞缸内；
[0009] 活塞缸内位于隔板两侧的腔室、两个活塞、两个弹簧以及隔板两侧的两个流体通 路均相对于隔板对称设置，流体通路上均设置有过滤网。
[0010] 为保证光纤探头的传感效果，检测更为精准，两个探头安置孔均开设在所在端盖 的正中心位置，两个探头安置孔、两个活塞及弹簧均同轴设置，两个活塞及两个弹簧的规格 及性能完全相同，反光部件与光纤检测端垂直设置，反光部件为反光镜或反光片，自然状态 下，其中一个光纤检测端到该光纤检测端所对应的反光部件的距离与另一个光纤检测端到 该另一个光纤检测端的距离相同，活塞与活塞缸的内壁之间设置有活塞密封圈，以防止活 塞两侧的流体互相渗入；
[0011] 光纤检测端与反光部件之间还设置有透光片，透光片为玻璃片，透光片均设置于 两个探头安置孔位于两个端盖内侧的端口处，且探头安置孔的端口处通过透光片封闭设 置。
[0012] 作为优选的结构，所述光纤检测端通过螺纹旋紧固定于探头安置孔内，以保证光 纤探头定位的牢固和精确；
[0013] 利用上述传感器检测流体流量的方法，包括：
[0014] 若检测箱内无被测流体流动，则活塞缸中两个活塞与隔板之间所形成的两个腔室 内的流体压力是相同的，两个活塞的滑动距离相同，光纤检测端检测到两腔室压差为零;若 检测箱内有被测流体流动，启动气源吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱内发生相 互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，流体在检测箱内发生偏移，以致进入活 塞缸的混合流体在隔板的两侧形成压强差，高压一侧活塞的滑移距离大，因此，高压一侧的 光纤检测端与反光部件之距离较小，从而，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即 可反映两侧检测腔内流体的压力差大小，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量； [0015]所述动量压差数学模型如下:分析传动量与压差之间的关系，设气流的速度为Vs， 被测流体的速度为V，其中1是由气源发射出来的气流速度，为已知量，活塞两端压强差与 两个流体的动量队/M有关，其中Μ为被测流体动量，M s为气流动量，分别与朽与V2成正比。
[0020] 其中，1^为已知量，从而在已知Δ P后即可求得V的值，在试验中，我们取Vs等于5m/ s，取匕=2，V变化由lm/s到2m/s，其曲线如图4所述。
[0021 ]气源的喷气方向与检测箱内流体的流通方向相垂直。
[0022]本发明与现有技术相比，主要优点如下：经过结构设计、理论研究与实验分析可 知，该传感器具有较小的结构、较高的精确度与可靠性、较好的适应性与互换性等，该传感 器能适用于众多流体流量检测场合，将光电传感原理应用于流量检测领域，输出信号经光 电转换及信号处理计算后输出值将成倍变化，从而提高了检测灵敏度，具有十分重要的实 际应用价值，对新型流量传感器的设计与推广起到了极大的推动作用。
[0023]同时，该差压传感器采用活塞式结构作为压力探测器件，在两侧流体具有压力差 时，活塞是平移运动，仅需根据活塞的平移量即可计算出流体压力差，对于光纤传感的要求 更低，计算和测量更为简单，且活塞结构更加稳定，不易受外界干扰，不易损坏，使用寿命更 为长久，使得传感器的可靠性、适应性及互换性都有了较大进步，适宜用作流体流量的测 量;传感器的强度补偿原理更为简单，实用性更强。
【附图说明】
[0024]图1是该传感器的系统原理图；
[0025] 图2是该传感器探头结构的剖视图；
[0026] 图3是检测原理图；
[0027] 图4是流体动量与活塞两边压强差的关系。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一 步地详细描述，
[0029] 实施例：
[0030] 参照图1至图4,本实施例提供一种双活塞对称阻尼式流量传感器，包括传感器探 头1、光电转换器2和信号处理器3,传感器探头1包括活塞缸11和设置于活塞缸11 一侧的检 测箱12,活塞缸11的两端分别由端盖13封闭，活塞缸11的中部位置设置有将活塞缸11内部 密封分隔为左右两个腔室的隔板14,隔板14与活塞缸11为一体式结构，隔板14两侧的活塞 缸11内分别滑动设置有一活塞15,活塞15与其所在一侧的端盖13之间均设置有弹簧16,弹 簧16的一端固定于活塞15上，另一端固定于端盖13上，所述两端的端盖13上均开设有探头 安置孔17,每个探头安置孔17内均设置有光纤检测端19,活塞15上正对光纤检测端19处设 置有反光部件18,光纤检测端19与反光部件18之间还设置有透光片131，透光片131为玻璃 片，透光片131均设置于两个探头安置孔17位于两个端盖13内侧的端口处，且探头安置孔17 的端口处通过透光片131封闭设置，光纤检测端19的光纤束由入射光纤和出射光纤191集合 铠装而成，光纤检测端19的出射光纤191与光电转换器2相连，光电转换器2与信号处理器3 相连，活塞缸11内位于隔板14两侧的腔室、两个活塞15、两个弹簧16以及隔板14两侧的两个 流体通路123均相对于隔板14对称设置，流体通路123上均设置有过滤网125,两个探头安置 孔17均开设在所在端盖13的正中心位置，两个探头安置孔17、两个活塞15及弹簧16均同轴 设置，两个活塞15及两个弹簧16的规格及性能完全相同，反光部件18与光纤检测端19垂直 设置，反光部件18为反光镜或反光片，自然状态下，其中一个光纤检测端19到该光纤检测端 19所对应的反光部件18的距离与另一个光纤检测端19到该另一个光纤检测端19的距离相 同，活塞15与活塞缸11的内壁之间设置有活塞密封圈151。
[0031] 检测箱12上具有流体入口 121和流体出口 122以使流体流经检测箱12的内部，活塞 缸11中隔板14与两个活塞15之间的两个腔室分别通过一个流体通路123与检测箱12相连 通，还包括气源124,气源124的供气方向指向两个流体通路123的中间位置，且流体通路123 和气源124分别设置于流体在检测箱12内部流通路径的相对两侧，气源124的喷气方向与检 测箱12内流体的流通方向相垂直；
[0032] 光源4设置于光纤6的一端用于产生光纤信号，光纤6的另一端经Y型耦合器5后分 为检测光纤61和参考光纤62，上述光源4、Y型耦合器5和光纤6的组合共有两组，两组上述组 合中的检测光纤61 对应地接入传感器探头1两端的光纤检测端19,并作为光纤检测端 19的入射光纤，两组上述组合中的参考光纤62分别单独连接有一个光电转换器2,且光电转 换器2均与信号处理器3相连。
[0033] 利用上述传感器检测流体流量的方法，包括：
[0034] 若检测箱12内无被测流体流动，则活塞缸11中两个活塞15与隔板14之间所形成的 两个腔室内的流体压力是相同的，两个活塞15的滑动距离相同，光纤检测端19检测到两腔 室压差为零;若检测箱12内有被测流体流动，启动气源124吹气形成气流，则被测流体与气 流在检测箱12内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，流体在检测箱 12内发生偏移，以致进入活塞缸11的混合流体在隔板14的两侧形成压强差，高压一侧活塞 15的滑移距离大，因此，高压一侧的光纤检测端19与反光部件18之距离较小，从而，经光电 转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔内流体的压力差大小，再建立动 量压差数学模型，推算得出流体动量。
【主权项】
1. 一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于:包括传感器探头（1)、光电转换器 (2)和信号处理器(3)，传感器探头（1)包括活塞缸（11)和设置于活塞缸（11) 一侧的检测箱 (12)，活塞缸（11)的两端分别由端盖（13)封闭，活塞缸（11)的中部位置设置有将活塞缸 (11)内部密封分隔为左右两个腔室的隔板(14)，隔板(14)两侧的活塞缸(11)内分别滑动设 置有一活塞（15)，活塞（15)与其所在一侧的端盖（13)之间均设置有弹簧（16)，弹簧（16)的 一端固定于活塞（15)上，另一端固定于端盖（13)上，所述两端的端盖13上均开设有探头安 置孔（17)，每个探头安置孔（17)内均设置有光纤检测端（19)，活塞（15)上正对光纤检测端 (19)处设置有反光部件（18)，光纤检测端（19)的光纤束由入射光纤和出射光纤（191)集合 铠装而成，光纤检测端（19)的出射光纤（191)与光电转换器(2)相连，光电转换器(2)与信号 处理器(3)相连； 检测箱（12)上具有流体入口（121)和流体出口（ 122)以使流体流经检测箱（12)的内部， 活塞缸(11)中隔板(14)与两个活塞（15)之间的两个腔室分别通过一个流体通路(123)与检 测箱（12)相连通，还包括气源（124)，气源（124)的供气方向指向两个流体通路（123)的中间 位置，且流体通路（123)和气源（124)分别设置于流体在检测箱（12)内部流通路径的相对两 侧。2. 根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于:气源（124)的 喷气方向与检测箱(12)内流体的流通方向相垂直。3. 根据权利要求1或2所述一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于:还包括有 光源(4)、Y型耦合器(5)和光纤(6)，光源(4)设置于光纤(6)的一端用于产生光纤信号，光纤 (6)的另一端经Υ型耦合器(5)后分为检测光纤(61)和参考光纤(62)，上述光源(4)、Υ型耦合 器(5)和光纤(6)的组合共有两组，两组上述组合中的检测光纤(61)-一对应地接入传感器 探头（1)两端的光纤检测端（19)，并作为光纤检测端（19)的入射光纤，两组上述组合中的参 考光纤(62)分别单独连接有一个光电转换器(2)，且光电转换器(2)均与信号处理器(3)相 连。4. 根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于：传感器探头 (1)中，隔板(14)与活塞缸(11)为一体式结构或隔板(14)密封固定于活塞缸(11)内。5. 根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于:活塞缸（11)内 位于隔板（14)两侧的腔室、两个活塞（15)、两个弹簧（16)以及隔板（14)两侧的两个流体通 路（123)均相对于隔板(14)对称设置，流体通路123上均设置有过滤网（125)。6. 根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于:两个探头安置 孔（17)均开设在所在端盖（13)的正中心位置，两个探头安置孔（17)、两个活塞（15)及弹簧 (16)均同轴设置，两个活塞（15)及两个弹簧（16)的规格及性能完全相同，反光部件（18)与 光纤检测端（19)垂直设置，反光部件（18)为反光镜或反光片，自然状态下，其中一个光纤检 测端（19)到该光纤检测端（19)所对应的反光部件（18)的距离与另一个光纤检测端（19)到 该另一个光纤检测端（19)的距离相同，活塞（15)与活塞缸（11)的内壁之间设置有活塞密封 圈（151) 〇7. 根据权利要求1所述一种双活塞对称阻尼式流量传感器，其特征在于：光纤检测端 (19)与反光部件18之间还设置有透光片（131)，透光片（131)为玻璃片，透光片（131)均设置 于两个探头安置孔(17)位于两个端盖（13)内侧的端口处，且探头安置孔(17)的端口处通过 透光片（131)封闭设置。8. 利用权利要求3所述传感器检测流体流量的方法，其特征在于，方法如下： 若检测箱（12)内无被测流体流动，则活塞缸（11)中两个活塞（15)与隔板（14)之间所形 成的两个腔室内的流体压力是相同的，两个活塞（15)的滑动距离相同，光纤检测端（19)检 测到两腔室压差为零;若检测箱（12)内有被测流体流动，启动气源（124)吹气形成气流，则 被测流体与气流在检测箱（12)内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改 变，流体在检测箱（12)内发生偏移，以致进入活塞缸（11)的混合流体在隔板（14)的两侧形 成压强差，高压一侧活塞（15)的滑移距离大，因此，高压一侧的光纤检测端（19)与反光部件 (18)之距离较小，从而，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔 内流体的压力差大小，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。9. 根据权利要求8所述检测流体流量的方法，其特征在于：所述动量压差数学模型如 下:分析传动量与压差之间的关系，设气流的速度为V s，被测流体的速度为V，其中Vs是由气 源（124)发射出来的气流速度，为已知量，活塞两端压强差与两个流体的动量Ms/M有关，其 中Μ为被测流体动量，M s为气流动量，分别与F__i与V2成正比； M=kV2； 为常数；其中，kA已知量，从而在已知Δ P后即可求得V的值。
【文档编号】G01F1/34GK105865544SQ201610367052
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】胡浩, 钟丽琼
【申请人】贵州大学