一種適用於渾濁流體的流速流向監測裝置製造方法
2023-12-02 20:04:26
一種適用於渾濁流體的流速流向監測裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種渾濁流體監測裝置，裝置包括觸杆、連接件、彈性阻尼體、基座、導光管、光學透鏡、光學定位傳感器、光源發射模塊和數據處理器；光學透鏡與光學定位傳感器及靜止位置的觸杆共軸線；由光源發射模塊發出的散射光經導光管導出，並通過光學透鏡聚光後投射至光學定位傳感器上；數據處理器與光學定位傳感器電信號連接，用於接收光學定位傳感器提供的光斑中心的坐標信息，即得到當前觸杆偏離靜止位置的角度，計算得到流體的流速和流向。本發明製造成本低、能效小、可批量安裝使用、能夠在渾濁水體等惡劣環境下實時監測流體信息。
【專利說明】一種適用於渾濁流體的流速流向監測裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於流體測量技術，涉及了一種適用於渾濁流體的流速流向監測裝置，具體地說，提出了一種阻尼杆式的流速流向測量裝置，可用於渾濁流體的實時監測。
【背景技術】
[0002]在流體測量領域，目前的測量技術與方法主要有超聲波都卜勒技術、雷射技術、熱線熱膜測速技術等先進的流體測量手段，但這些技術及設備有的價格昂貴，有的不便使用，不能作為機載設備安裝在空間受限的航行器上，隨著人類在近海、湖泊等淺水水下活動的不斷深入，對於淺水水流信息的獲取變得越來越重要，這些區域的流體渾濁度較大，限制了一些測量設備的使用，急需一種價格低廉、低能耗、可大量安裝使用的測量設備，可安裝在如水下機器人、海洋平臺水下部分等設施用於實時感知流體信息。
【發明內容】
[0003]本發明提供的一種渾濁流體監測裝置，目的在於為解決現有流體測量傳感器的缺陷，特別是提供一種製造成本低、能效小、可批量安裝使用、可在渾濁水體等惡劣環境下實時監測流體信息。
[0004]本發明提供的一種渾濁流體監測裝置，其特徵在於，該裝置包括觸杆、連接件、彈性阻尼體、基座、導光管、光學透鏡、光學定位傳感器、光源發射模塊和數據處理器；
[0005]所述觸杆為中心軸對稱結構，呈柱狀；所述基座為空心結構，其上蓋板上固定安裝有彈性阻尼體；
[0006]所述連接件的一端包裹在觸杆內部，另一端穿過彈性阻尼體中心位置並位於基座內部，且連接件中部固定在彈性阻尼體上，連接件的底端安裝有光源發射模塊，導光管用於將光源發射模塊發出的散射光導出，其中心軸線與觸杆的中心軸線重合，且與觸杆保持同步運動，且與彈性阻尼體的中心方向相反，光源發射模塊下方依次布置有光學透鏡和光學定位傳感器，光學透鏡與光學定位傳感器及靜止位置的觸杆共軸線；由光源發射模塊發出的散射光經導光管導出，並通過光學透鏡聚光後投射至光學定位傳感器上，在光學定位傳感器上生成一個亮度均勻併集中的光斑；
[0007]數據處理器與光學定位傳感器電信號連接，用於接收光學定位傳感器提供的光斑中心的坐標信息，即得到當前觸杆偏離靜止位置的角度，計算得到流體的流速和流向。
[0008]本發明裝置可以實時監測單點的流體信息，將監測裝置按陣列分布，可以根據測量環境的需要，形成完整的測量曲面，實時監測環境中的流體流場變化情況。
[0009]本發明裝置將流體運動通過形狀可恢復的帶阻尼的槓桿機構轉化為光源的同步運動，採用光電成像定位技術一次性同時測量流體的流速及流向信息，不需要矢量運算，不需要同時使用多個間接傳感器，可廣泛用於空中及水下流體信息的實時監測，本發明可測量流經與測量裝置底部平面平行的流體的二維信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明提供的渾濁流體監測裝置的整體結構示意圖；
[0011]圖2為彈簧-慣量-阻尼簡化模型示意圖；
[0012]圖3為靜水標定實驗裝置示意圖；
[0013]圖4為成像結果分析原理圖；
[0014]圖5為光學定位傳感器得到的光斑圖，(a)為光斑圖，(b)為光斑中心定位圖
[0015]圖6為成像平面矢量坐標圖；
[0016]圖中，I為觸杆，2為連接件,3為彈性阻尼體,4為基座,5為導光管,6為光學透鏡，7為光學定位傳感器，8為定位栓，9為光源發射模塊，10為數據處理器，11為彈性導線，12為光學透鏡固定支座，13為光學定位傳感器固定支座；14為調速電機,15為直線導軌,16為拉繩，17為載物臺，18為水槽，19為水。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本發明，但並不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0018]本發明裝置中，流體對觸杆I的衝擊作用產生偏移運動，彈性阻尼體3約束流體的衝擊，使得如圖1所示的結構模型可簡化為圖2所示的彈簧-慣量-阻尼模型，其中，Θ為流速V的流體衝擊觸杆I使其偏轉的角度(即偏離靜止位置的角度)，F為流體的衝擊力，又稱拖曳力，L1為從觸杆I頂端到彈性阻尼體3中心的長度，L2為從彈性阻尼體3的中心到達連接件2底端的長度，C1^C2分別為彈性阻尼體3簡化模型中扭轉阻尼係數和拉伸阻尼係數，kp k2分別為彈性阻尼體3簡化模型中扭轉剛度係數和拉伸剛度係數，J為觸杆I的轉動慣量。
[0019]該模型的二階傳遞函數為:
【權利要求】
1.一種流體的流速流向監測裝置，其特徵在於，該裝置包括觸杆、連接件、彈性阻尼體、基座、導光管、光學透鏡、光學定位傳感器、光源發射模塊和數據處理器； 所述觸杆為中心軸對稱結構，呈柱狀；所述基座為空心結構，其上蓋板上固定安裝有彈性阻尼體；所述連接件的一端包裹在觸杆內部，另一端穿過彈性阻尼體中心位置並位於基座內部，且連接件中部固定在彈性阻尼體上，連接件的底端安裝有光源發射模塊，導光管用於將光源發射模塊發出的散射光導出，其中心軸線與觸杆的中心軸線重合，且與觸杆保持同步運動，且與彈性阻尼體的中心方向相反，光源發射模塊下方依次布置有光學透鏡和光學定位傳感器，光學透鏡與光學定位傳感器及靜止位置的觸杆共軸線；由光源發射模塊發出的散射光經導光管導出，並通過光學透鏡聚光後投射至光學定位傳感器上，在光學定位傳感器上生成一個亮度均勻併集中的光斑； 數據處理器與光學定位傳感器電信號連接，用於接收光學定位傳感器提供的光斑中心的坐標信息，即得到當前觸杆偏離靜止位置的角度，計算得到流體的流速和流向。
2.根據權利要求1所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，數據處理器利用式I計算流速V:
I^n2為彈性阻尼體所用 材料的固定的邊界條件係數，E為彈性阻尼體所用材料的彈性模量，D為彈性阻尼體的截面圓的直徑，h為彈性阻尼體的厚度，μ為彈性阻尼體所用材料的泊松比，L1為從觸杆頂端到彈性阻尼體中心的長度，L2為從彈性阻尼體的中心到達連接件底端的長度，Θ為觸杆偏轉的角度，P為流體密度，C為觸杆拖拽力係數，r為觸杆的橫截面直徑。
3.根據權利要求1所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，數據處理器利用式II計算流速V:
V= τηθ + ?, 式 11 其中，m，a為裝置的標定係數，Θ為觸杆偏轉的角度。
4.根據權利要求1、2或3所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，靜止位置時光斑中心在光學定位傳感器上的位置為(X(l，％)，即坐標系原點O的位置，設光斑中心在光學定位傳感器上的當前坐標值為點M的坐標(xt，yt)，液體的方向即為矢量ci的方向。
5.根據權利要求4所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，流速流向即矢量ο--的方向為光斑位置矢量相對指定方向的角度Θ test，根據式III計算:
6.根據權利要求1至5中任一所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，所述觸杆採用硬度超過邵氏D65、彈性模量超過40Mpa的聚氨酯或韌性塑料。
7.根據權利要求1至5中任一所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，彈性阻尼體採用硬度在邵氏A40到60之間，彈性模量超過3MPa的矽膠或聚氨酯等彈性材料，連接件採用硬度超過邵氏D70的合成塑料。
8.根據權利要求1至5中任一所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，所述彈性阻尼體為圓柱狀薄片。
9.根據權利要求1至5中任一所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，導光管採用包括鈦毛細管在內的準直不變形的高硬度材料製作。
10.根據權利要求1至5中任一所述的流速流向監測裝置，其特徵在於，多個所述監測裝置按陣列布置，用於形成完整的測量曲面，實時監測環境中的流體流場變化情況。
【文檔編號】G01P13/02GK104166012SQ201410431536
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】陳學東, 朱連利 申請人:華中科技大學