一種壓電與光電複合的流體流速流向測量裝置及其方法
2023-11-03 17:49:22
一種壓電與光電複合的流體流速流向測量裝置及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種壓電與光電複合的液體流速流向測量裝置及其方法，裝置包括圓柱體，壓電纖維束，雷射發射準直模塊，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，PSD承載及信號放大電路板，以及測量數據處理模塊；本發明利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內部中心軸線區域的壓電纖維束，將流體的流動轉換為浸入流體中的圓柱體的偏轉運動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉產生壓差，利用圓柱體的偏轉與流體流向的關係，以及壓電纖維束壓差與流體流速的關係，實現流體的流速和流向的測量。本發明結構簡單，體型小巧，可以減少對流體的擾動，特別適合低速流場信息的精確測量。該裝置可以安裝在大型水下運載設備或平臺的外圍，提供其外圍流場信息的監測。
【專利說明】一種壓電與光電複合的流體流速流向測量裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於流體測量技術，涉及了一種測量流體流速流向的裝置及其方法，具體地說，提出了一種採用壓電技術和光電技術相結合的流速流向測量裝置與方法。
【背景技術】
[0002]目前的流速測量領域，一般採用螺旋槳等旋轉機構，流體流過時，推動螺旋槳等旋轉機構轉動，把旋轉機構轉動的速度換算後得到流體流速。這種測量方式，對於流體速度較高、不需要實時精確測量的環境是可行的，但對於需要精確實時測量的環境以及流速微小流體的測量，因其旋轉機構機械傳動的滯後原因造成的誤差較大，往往測量效果不佳，同時，旋轉機械結構導致了這種設備的可靠性及壽命受到影響，長期使用會造成累積誤差，另夕卜，目前的流速儀往往構型較大，造成對流體流動過程的擾動，不利於需要精確保持流體性狀的測量。對於可同時測得流速和流向的設備，目前主要採用超聲波都卜勒技術、雷射技術等，雖然可以精確測量流體環境數據，但成本較高、造價昂貴，且結構複雜、本體及附屬設備體型較大、不易操作，作為測量平臺在水下運載設備上不易安裝使用，且雷射測量技術在渾濁水體不宜使用。
【發明內容】
[0003]本發明提供一種壓電與光電複合的流體流速流向測量裝置及其方法，目的在於為流體監測提供一種方便、有效、簡單和快捷的測量方式。
[0004]本發明提供的一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，該裝置包括利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內部中心軸線區域的壓電纖維束，將流體的流動轉換為浸入流體中的圓柱體的偏轉運動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉產生壓電電荷，其兩端產生電壓差，利用圓柱體的偏轉與流體流向的關係，以及壓電纖維束電壓差與流體流速的關係，實現流體的流速和流向的測量。
[0005]作為上述技術方案的優選，本發明裝置的具體實現結構為:該裝置還包括雷射發射準直模塊，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，PSD承載及信號放大電路板，測量數據處理模塊；
[0006]彈性阻尼體安裝在底座上，圓柱體安裝在彈性阻尼體上，圓柱體與彈性阻尼體採用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位於圓柱體的上部，壓電纖維束兩端分別安裝有壓電集電極，負責收集壓電纖維兩端產生的電荷，兩個壓電集電極極性相反以形成電壓差;
[0007]雷射發射準直模塊安裝在圓柱體的下部，雷射發射準直模塊下端穿過彈性阻尼體進入到底座內部，雷射發射準直模塊用於發射準直的雷射光線；
[0008]底座空腔內固定安裝有依次電信號連接的二維PSD位移傳感器、PSD承載及信號放大電路板和測量數據處理模塊；
[0009]底座的底面中心安裝有防水信號線轉接口 ；防水信號線轉接口用於傳輸數據，還用於為測量數據處理模塊、雷射發射準直模塊、PSD承載及信號放大電路板提供電源；
[0010]測量數據處理模塊與壓電纖維束兩端的壓電集電極電連接，得到壓電纖維束的壓電電壓信號，以獲得流體的流速；
[0011]二維PSD位移傳感器用於接收雷射發射準直模塊出射的雷射束，二維PSD位移傳感器將發生光電反應產生的電信號輸入到PSD承載及信號放大電路板，PSD承載及信號放大電路板將放大後的電信號提供給測量數據處理模塊；測量數據處理模塊獲得PSD承載及信號放大電路板放大後的測量信號，計算得到雷射束光斑中心的坐標值，以得到流體的流向。
[0012]本發明提供的上述流速流向測量裝置的測量方法，所述測量數據處理模塊獲得壓電纖維束的表面電壓Vp，利用式I計算流體速度V:
【權利要求】
1.一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，該裝置包括利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內部中心軸線區域的壓電纖維束，將流體的流動轉換為浸入流體中的圓柱體的偏轉運動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉產生壓電電荷，其兩端產生電壓差，利用圓柱體的偏轉與流體流向的關係，以及壓電纖維束電壓差與流體流速的關係，實現流體的流速和流向的測量。
2.根據權利要求1所述的一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，該裝置還包括雷射發射準直模塊，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，PSD承載及信號放大電路板，測量數據處理模塊； 所述彈性阻尼體安裝在底座上，圓柱體安裝在彈性阻尼體上，圓柱體與彈性阻尼體採用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位於圓柱體的上部，壓電纖維束兩端分別安裝有壓電集電極，負責收集壓電纖維兩端產生的電荷，兩個壓電集電極極性相反以形成電壓差; 所述雷射發射準直模塊安裝在圓柱體的下部，雷射發射準直模塊下端穿過彈性阻尼體進入到底座內部，雷射發射準直模塊用於發射準直的雷射光線； 所述底座空腔內固定安裝有依次電信號連接的二維PSD位移傳感器、PSD承載及信號放大電路板和測量數據處理模塊； 所述底座的底面中心安裝有防水信號線轉接口 ；防水信號線轉接口用於傳輸數據，還用於為測量數據處理模塊、雷射發射準直模塊、PSD承載及信號放大電路板提供電源； 所述測量數據處理模塊與壓電纖維束兩端的壓電集電極電連接，得到壓電纖維束的壓電電壓信號，以獲得流體的流速； 所述二維PSD位移傳感器用於接收雷射發射準直模塊出射的雷射束，二維PSD位移傳感器將發生光電反應產生的電信號輸入到PSD承載及信號放大電路板，PSD承載及信號放大電路板將放大後的電信號提供給測量數據處理模塊；測量數據處理模塊獲得PSD承載及信號放大電路板放大後的測量信號，計算得到雷射束光斑中心的坐標值，以得到流體的流向。
3.根據權利要求1所述的一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，所述圓柱體與所述彈性阻尼體的彈性模量在2.5MPa以上，硬度在邵氏A40-60之間。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，所述壓電纖維束的長度為所述圓柱體總長的3/4。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，所述底座內空腔是一個整體呈放射狀的密閉空間，以配合雷射的發射狀態。
6.根據權利要求1、2或3所述的一種流體流速流向測量裝置，其特徵在於，所述雷射發射準直模塊主要由殼體、雷射驅動模塊、雷射二極體和準直透鏡構成，殼體為中空圓柱狀，雷射驅動模塊位於殼體頂部，雷射二極體位於殼體的上部，準直透鏡位於殼體的下部；雷射二極體發射雷射，到達準直透鏡，經準直處理後散射的雷射匯聚形成一個雷射束；殼體底部設有微小透光孔，以保證經準直後的出射雷射束到達二維PSD位移傳感器產生的光斑直徑足夠小。
7.一種利用權利要求2所述的裝置進行流體流速流向測量的方法，其特徵在於，所述測量數據處理模塊獲得壓電纖維束的表面電壓Vp，利用式I計算流體速度V:
式中，Vp為壓電纖維束的表面電壓，Cs為壓電纖維束本身靜電容量，Ep> Ip分別為壓電纖維束的彈性模量、慣矩，Esffl, Ism分別為圓柱體的彈性模量、慣矩，dp為壓電纖維束的壓電常數，P為流體密度，A為流體在圓柱體上的作用面積，CdS作為圓柱體的拖拽力係數，I為圓柱體的長度，rp為壓電纖維束截面半徑； 所述測量數據處理模塊利用二維PSD位移傳感器獲得的雷射光斑的坐標值(xt，yt)，利用式II計算流體流動方向角度Θ:
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，流體速度V的計算公式為式III:
4、 V — aVp + 1)1^5 式 111 其中，a，b為利用式I，通過標定方法所獲得的權值係數。
【文檔編號】G01P13/02GK104198756SQ201410431303
【公開日】2014年12月10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