一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法
【专利摘要】本发明提供一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法，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，活塞缸内滑动设置有活塞，活塞与端盖之间均设置弹簧和活塞杆，端盖上均开设有检测通孔，活塞杆一端固定于活塞上，另一端滑动设置于检测通孔内，且活塞杆的端部固定有反光部件，检测通孔的另一端还设置有光纤检测端，检测箱与活塞两侧的腔室分别通过一个流体通路相连通，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】
一种单活塞光纤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:提供一种单活塞光纤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：一种单活塞光纤流量传感器，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，活塞缸内滑动设置有活塞，活塞与两端的端盖之间均设置弹簧和活塞杆，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检测通孔，活塞杆的 一端固定于活塞上，另一端滑动设置于检测通孔内，且滑动设置于检测通孔内的活塞杆的 端部固定有反光部件，检测通孔的另一端还伸入设置有具有入射光纤和出射光纤的光纤检 测端，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 光纤所接收信号的强弱即可判断反光部件与光纤检测端之间的距离，从而判断活塞的滑动 距离，即可进一步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，检测箱与活塞缸 中活塞两侧的腔室分别通过一个流体通路相连通，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 侦L如此设置，当检测箱内的流体不流通时，流入活塞两侧腔室的流体压力应当相同，则活 塞会处于平衡位置保持不变，而当流体流动后，流入活塞两侧腔室的流体压力是不同的，则 活塞会发生滑动，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] 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 源发出的光信号耦合进入到光纤内，光纤的另一端经Y型耦合器后分为两路光源入射光纤， 两路光源入射光纤分别对应接入到传感器探头中的两个光纤检测端，并作为光纤检测端的 入射光纤，照射到反光部件上，经反射后的反射光进入两端的出射光纤，由出射光纤分别传 输到两个单独的光电转换器进行光电转换，转换后的电信号经A/D转化单元处理后分别输 入到信号处理器，信号处理器再对这两路信号进行比值运算。
[0007] 为了避免弹簧对传感器的影响，活塞两侧的弹簧对称设置，且活塞两侧的弹簧的 结构及规格均完全相同，活塞位于两端端盖的正中央位置时，活塞两侧的弹簧均处于自然 状态，即弹簧无拉伸与压缩形变；
[0008] 为保证光纤探头的传感效果，保证两端光纤检测端与反光部件之间的距离平衡， 两个检测通孔均开设在所在端盖的正中心位置，两个检测通孔、活塞及两个活塞杆均同轴 设置，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，活塞与活塞缸的内壁 之间为滑动密封式结构，以防止活塞两侧的流体互相渗入，活塞杆与检测通孔之间也为滑 动密封结构，例如，活塞杆的外侧设置有密封圈，通过密封圈实现与检测通孔内壁之间的密 封，防止流体流入反光部件与光纤检测端之间；
[0009] 作为优选的结构，所述光纤检测端通过螺纹旋紧固定于检测通孔内，以保证光纤 探头定位的牢固和精确，端盖为橡胶塞，保证结构可靠性的前提下结构更为简化；
[0010] 为保证活塞的密封效果，防止流体经活塞边缘流入弹簧所在腔室，活塞与活塞缸 的内壁之间设置有活塞密封圈；
[0011]为保证传感器的使用寿命和使用效果，活塞的材质优选硬质合金；
[0012]为防止流体内的杂质进入传感器探头，所述流体通路上均设置有滤网。
[0013]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，入射光纤另一端与光 源对接，用以耦合入射光，出射光纤的出射端与光敏元件连接，输出光强度信号。
[0014] -种单活塞光纤流量检测方法，包括：
[0015] 传感器探头、光电转换器和信号处理器，传感器探头包括光纤压差传感器探头和 具有流体流通通路的检测箱；
[0016] 光纤压差传感器探头包括有筒形的活塞缸，活塞缸内具有两个由滑动设置于活塞 缸内的活塞分隔开的流体检测腔，两个流体检测腔分别与检测箱相连通；
[0017] 检测箱与两个流体检测腔分别通过两个流体通路相连通，检测箱处还对应设置有 朝向两个流体通路的中间位置喷气的气源，且流体通路和气源分别设置于检测箱内的流体 流通通路的相对两侧，若检测箱内无被测流体流动，则两个流体检测腔内的压力是相同的， 光纤压差传感器探头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，混合流体在检测箱内发生偏移，以致进入活塞缸的混合流体在活塞的两侧形成 压强差，活塞在两个流体检测腔压差的作用下，向低压一侧滑移，并通过光纤压差传感器探 头检测压差，建立动量压差数学模型，推算得出流体动量；
[0018] 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Ms/M有关，其中Μ为被测流体动量，M s为气流动量，分别与Μ与V2成正比。
[0019] M = kV2；
[0020] M、=々K?,k 为常数；
[0023] 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。
[0024]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。
[0025]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】
[0026]图1是该传感器的系统原理图；
[0027] 图2是该传感器探头结构的剖视图；
[0028] 图3是检测原理图；
[0029] 图4是流体动量与活塞两边压强差的关系。
【具体实施方式】
[0030] 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，
[0031] 实施例：
[0032] 参照图1至图3,本实施例提供一种单活塞光纤流量传感器，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，端盖13为橡胶塞，活塞缸11内滑动设置有活塞14,活塞 14与活塞缸11的内壁之间设置有活塞密封圈141，活塞14与两端的端盖13之间均设置弹簧 15和活塞杆16,弹簧15的一端固定于活塞14上，另一端固定于端盖13上，活塞14两侧的弹簧 15对称设置，且活塞14两侧的弹簧15的结构及规格均完全相同，活塞14位于两端端盖13的 正中央位置时，活塞14两侧的弹簧15均处于自然状态，即弹簧无拉伸与压缩形变，所述两端 的端盖13的正中心位置均开设有检测通孔17,活塞杆16的一端固定于活塞14上，另一端滑 动设置于检测通孔17内，且滑动设置于检测通孔17内的活塞杆16的端部固定有反光部件 18,两个检测通孔17、活塞14及两个活塞杆16均同轴设置，检测通孔17的另一端还伸入设置 有光纤检测端19,光纤检测端19通过螺纹旋紧固定于检测通孔17内，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，活塞14与活塞缸11的内壁之间为滑动密 封式结构，以防止活塞14两侧的流体互相渗入，活塞杆16与检测通孔17之间也为滑动密封 结构，例如，活塞杆16的外侧设置有密封圈，通过密封圈实现与检测通孔17内壁之间的密 封，防止流体流入反光部件18与光纤检测端19之间，光纤检测端19的光纤束由入射光纤191 和出射光纤192集合销装而成，入射光纤191另一端与光源对接，用以親合入射光，光纤检测 端19的出射光纤192与光电转换器2相连，输出光强度信号后经光电转换器2转换为电信号， 光电转换器2与信号处理器3相连，该信号经过放大整流滤波等处理环节后输入到计算机 中，配合相应的算法计算，可以得出两检测位置的流体压力差；
[0033] 还包括有光源5、Y型耦合器6和光纤7,光源5设置于光纤7的一端用于产生光纤信 号，光源5发出的光信号親合进入到光纤7内，光纤7的另一端经Υ型親合器6后分为两路光源 入射光纤，两路光源入射光纤分别对应接入到传感器探头1中的两个光纤检测端19，并作为 光纤检测端19的入射光纤191，照射到反光部件18上，经反射后的反射光进入两端的出射光 纤192,由出射光纤192分别传输到两个单独的光电转换器2进行光电转换，转换后的电信号 经A/D转化单元8处理后分别输入到信号处理器3,信号处理器3再对这两路信号进行比值运 算。
[0034]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，检测 箱12与活塞缸11中活塞14两侧的腔室分别通过一个流体通路123相连通，所述流体通路123 上均设置有滤网125，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，如此 设置，当检测箱12内的流体不流通时，流入活塞14两侧腔室的流体压力应当相同，则活塞14 会处于平衡位置保持不变，而当流体流动后，流入活塞14两侧腔室的流体压力是不同的，则 活塞14会发生滑动，这种压力变化就会反映在光纤探头检测的光信号变化上，建立动量压 差数学模型，推算得出流体动量。
[0035]如图3所示，从气源124进入的测试流体（即气流)与被测流体耦合并相互作用，在 被测流体的作用下，测试流体流场由均匀分布向右侧发生偏移。当测试流体流场均匀分布 时（即被测流体不流动），进入传感器左右检测腔的流体流量相同，左右检测腔内的流体压 力相等，活塞静止不动;而当测试流体流场向右侧发生偏移后(被测流体向右流动），进入传 感器右腔的流体流量增大，进入传感器左腔的流体流量减小，从而导致传感器左右检测腔 产生压力差。活塞14的左右偏移直接带动了活塞杆16端部的反光部件18的移动，并使光纤 束与反光片(反光部件18)距离发生变化，造成两个输出光信号的强度不同，光敏元件把光 信号转化为电信号，该信号经过放大整流滤波等处理环节后输入到计算机中，配合相应的 算法计算，可以得出两检测位置的流体压力差。再建立动量压差数学模型，推算得出流体动 量。
【主权项】
1. 一种单活塞光纤流量传感器，包括传感器探头（1)、光电转换器（2)和信号处理器 (3)，其特征在于: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)内滑动设置有活塞（14)，活塞（14)与 两端的端盖（13)之间均设置弹黃（15)和活塞杆（16)，弹黃（15)的一端固定于活塞（14)上， 另一端固定于端盖（13)上，所述两端的端盖（13)上均开设有检测通孔（17)，活塞杆（16)的 一端固定于活塞（14)上，另一端滑动设置于检测通孔（17)内，且滑动设置于检测通孔（17) 内的活塞杆(16)的端部固定有反光部件（18)，检测通孔(17)的另一端还伸入设置有具有入 射光纤（191)和出射光纤（192)的光纤检测端（19)，光纤检测端（19)的出射光纤（192)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)?使流体流经检测箱（12)的内部， 检测箱（12)与活塞缸（11)中活塞（14)两侧的腔室分别通过一个流体通路（123)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所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于:还包括有光源（5)、Υ 型禪合器(6)和光纤(7)，光源巧)设置于光纤(7)的一端用于产生光纤信号，光源(5)发出的 光信号禪合进入到光纤（7)内，光纤(7)的另一端经Υ型禪合器(6)后分为两路光源入射光 纤，两路光源入射光纤分别对应接入到传感器探头（1)中的两个光纤检测端（19)，并作为光 纤检测端(19)的入射光纤(191)。3. 根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于:活塞（14)两侧的弹黃 (15)对称设置，且活塞（1)两侧的弹黃(15)的结构及规格均完全相同，活塞（14)位于两端端 盖(13)的正中央位置时，活塞(1)两侧的弹黃(15)均处于自然状态。4. 根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于:两个检测通孔（17)均 开设在所在端盖（13)的正中屯、位置，两个检测通孔（17)、活塞（14)及两个活塞杆（16)均同 轴设置，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，活塞 (14)与活塞缸（11)的内壁之间为滑动密封式结构，活塞杆（16)与检测通孔（17)之间也为滑 动密封结构。5. 根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于:所述光纤检测端（19) 通过螺纹旋紧固定于检测通孔(17)内，端盖(13)为橡胶塞。6. 根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：活塞（14)与活塞缸 (11)的内壁之间设置有活塞密封圈（141)。7. 根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于:光纤检测端（19)的光 纤束由入射光纤(191)和出射光纤（192)集合链装而成，入射光纤(191)另一端与光源对接， 用W禪合入射光，出射光纤(192)的出射端与光敏元件连接，输出光强度信号。8. -种单活塞光纤流量检测方法，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)包括光纤压差传感 器探头和具有流体流通通路的检测箱(12); 光纤压差传感器探头包括有筒形的活塞缸（11 )，活塞缸（11)内具有两个由滑动设置于 活塞缸（11)内的活塞（14)分隔开的流体检测腔，两个流体检测腔分别与检测箱（12)相连 通； 检测箱（12)与两个流体检测腔分别通过两个流体通路（123)相连通，检测箱（12)处还 对应设置有朝向两个流体通路（123)的中间位置喷气的气源（124)，且流体通路（123)和气 源（124)分别设置于检测箱（12)内的流体流通通路的相对两侧，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，混合流体在检测箱（12)内发生偏移，W致进入 活塞缸（11)的混合流体在活塞（14)的两侧形成压强差，活塞（14)在两个流体检测腔压差的 作用下，向低压一侧滑移，并通过光纤压差传感器探头检测压差，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所述一种单活塞光纤流量检测方法，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Vs，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，Ms为气流动量，分别与片与V2成正比； M=kVS Μ、二 A-l/:k为常数；其中，ki为已知量，从而在已知Δ P后即可求得V的值。
【文档编号】G01B11/14GK106092222SQ201610367244
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】胡浩, 钟丽琼, 赵丽梅
【申请人】贵州大学