一種壓電與光電復(fù)合的流體流速流向測量裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電與光電復(fù)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，激光發(fā)射準(zhǔn)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(shù)據(jù)處理模塊；本發(fā)明利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內(nèi)部中心軸線區(qū)域的壓電纖維束，將流體的流動轉(zhuǎn)換為浸入流體中的圓柱體的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓差，利用圓柱體的偏轉(zhuǎn)與流體流向的關(guān)系，以及壓電纖維束壓差與流體流速的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流體的流速和流向的測量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)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(yùn)載設(shè)備或平臺的外圍，提供其外圍流場信息的監(jiān)測。
【專利說明】一種壓電與光電復(fù)合的流體流速流向測量裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)，涉及了一種測量流體流速流向的裝置及其方法，具體地說，提出了一種采用壓電技術(shù)和光電技術(shù)相結(jié)合的流速流向測量裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前的流速測量領(lǐng)域，一般采用螺旋槳等旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，流體流過時，推動螺旋槳等旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，把旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的速度換算后得到流體流速。這種測量方式，對于流體速度較高、不需要實(shí)時精確測量的環(huán)境是可行的，但對于需要精確實(shí)時測量的環(huán)境以及流速微小流體的測量，因其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動的滯后原因造成的誤差較大，往往測量效果不佳，同時，旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了這種設(shè)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(gòu)型較大，造成對流體流動過程的擾動，不利于需要精確保持流體性狀的測量。對于可同時測得流速和流向的設(shè)備，目前主要采用超聲波多普勒技術(shù)、激光技術(shù)等，雖然可以精確測量流體環(huán)境數(shù)據(jù)，但成本較高、造價昂貴，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本體及附屬設(shè)備體型較大、不易操作，作為測量平臺在水下運(yùn)載設(shè)備上不易安裝使用，且激光測量技術(shù)在渾濁水體不宜使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種壓電與光電復(fù)合的流體流速流向測量裝置及其方法，目的在于為流體監(jiān)測提供一種方便、有效、簡單和快捷的測量方式。
[0004]本發(fā)明提供的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，該裝置包括利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內(nèi)部中心軸線區(qū)域的壓電纖維束，將流體的流動轉(zhuǎn)換為浸入流體中的圓柱體的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓電電荷，其兩端產(chǎn)生電壓差，利用圓柱體的偏轉(zhuǎn)與流體流向的關(guān)系，以及壓電纖維束電壓差與流體流速的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流體的流速和流向的測量。
[0005]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，本發(fā)明裝置的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)為:該裝置還包括激光發(fā)射準(zhǔn)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(shù)據(jù)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采用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位于圓柱體的上部，壓電纖維束兩端分別安裝有壓電集電極，負(fù)責(zé)收集壓電纖維兩端產(chǎn)生的電荷，兩個壓電集電極極性相反以形成電壓差;
[0007]激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊安裝在圓柱體的下部，激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊下端穿過彈性阻尼體進(jìn)入到底座內(nèi)部，激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊用于發(fā)射準(zhǔn)直的激光光線；
[0008]底座空腔內(nèi)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(shù)據(jù)處理模塊；
[0009]底座的底面中心安裝有防水信號線轉(zhuǎn)接口 ；防水信號線轉(zhuǎn)接口用于傳輸數(shù)據(jù)，還用于為測量數(shù)據(jù)處理模塊、激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊、PSD承載及信號放大電路板提供電源；
[0010]測量數(shù)據(jù)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位移傳感器用于接收激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊出射的激光束，二維PSD位移傳感器將發(fā)生光電反應(yīng)產(chǎn)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后的電信號提供給測量數(shù)據(jù)處理模塊；測量數(shù)據(jù)處理模塊獲得PSD承載及信號放大電路板放大后的測量信號，計算得到激光束光斑中心的坐標(biāo)值，以得到流體的流向。
[0012]本發(fā)明提供的上述流速流向測量裝置的測量方法，所述測量數(shù)據(jù)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(quán)利要求】
1.一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，該裝置包括利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內(nèi)部中心軸線區(qū)域的壓電纖維束，將流體的流動轉(zhuǎn)換為浸入流體中的圓柱體的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓電電荷，其兩端產(chǎn)生電壓差，利用圓柱體的偏轉(zhuǎn)與流體流向的關(guān)系，以及壓電纖維束電壓差與流體流速的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流體的流速和流向的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，該裝置還包括激光發(fā)射準(zhǔn)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(shù)據(jù)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采用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位于圓柱體的上部，壓電纖維束兩端分別安裝有壓電集電極，負(fù)責(zé)收集壓電纖維兩端產(chǎn)生的電荷，兩個壓電集電極極性相反以形成電壓差; 所述激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊安裝在圓柱體的下部，激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊下端穿過彈性阻尼體進(jìn)入到底座內(nèi)部，激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊用于發(fā)射準(zhǔn)直的激光光線； 所述底座空腔內(nèi)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(shù)據(jù)處理模塊； 所述底座的底面中心安裝有防水信號線轉(zhuǎn)接口 ；防水信號線轉(zhuǎn)接口用于傳輸數(shù)據(jù)，還用于為測量數(shù)據(jù)處理模塊、激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊、PSD承載及信號放大電路板提供電源； 所述測量數(shù)據(jù)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位移傳感器用于接收激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊出射的激光束，二維PSD位移傳感器將發(fā)生光電反應(yīng)產(chǎn)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后的電信號提供給測量數(shù)據(jù)處理模塊；測量數(shù)據(jù)處理模塊獲得PSD承載及信號放大電路板放大后的測量信號，計算得到激光束光斑中心的坐標(biāo)值，以得到流體的流向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，所述壓電纖維束的長度為所述圓柱體總長的3/4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，所述底座內(nèi)空腔是一個整體呈放射狀的密閉空間，以配合激光的發(fā)射狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射準(zhǔn)直模塊主要由殼體、激光驅(qū)動模塊、激光二極管和準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成，殼體為中空圓柱狀，激光驅(qū)動模塊位于殼體頂部，激光二極管位于殼體的上部，準(zhǔn)直透鏡位于殼體的下部；激光二極管發(fā)射激光，到達(dá)準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)準(zhǔn)直處理后散射的激光匯聚形成一個激光束；殼體底部設(shè)有微小透光孔，以保證經(jīng)準(zhǔn)直后的出射激光束到達(dá)二維PSD位移傳感器產(chǎn)生的光斑直徑足夠小。
7.一種利用權(quán)利要求2所述的裝置進(jìn)行流體流速流向測量的方法，其特征在于，所述測量數(shù)據(jù)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(shù)，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系數(shù)，I為圓柱體的長度，rp為壓電纖維束截面半徑； 所述測量數(shù)據(jù)處理模塊利用二維PSD位移傳感器獲得的激光光斑的坐標(biāo)值(xt，yt)，利用式II計算流體流動方向角度Θ:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，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(biāo)定方法所獲得的權(quán)值系數(shù)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】陳學(xué)東, 朱連利 申請人:華中科技大學(xué)