一種可測量渾濁流體三維流動信息的裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種測量流體三維流動信息的裝置，該裝置包括單片機和三個二維測量單元，各二維測量單元均安裝在三維測量基座上，三個二維測量單元中心軸線兩兩互相垂直，每個二維測量單元用于一個平面的二維流動信息；單片機利用各二維流動信息合成得到三維的流動信息。本發明為海洋湖泊等水下環境監測、中高空流體環境監測等領域提供了一種實時獲取空間流體三維信息的新方法。采用本發明還可以為水下機器人、潛艇等水下航行器，模型飛機、無人機、載人飛機等低、中、高空飛行器提供外圍局部流場實時監測。
【專利說明】一種可測量渾濁流體三維流動信息的裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于流動測量技術，涉及了一種測量流動信息的裝置，具體地說，提出了一種采用光電技術測量二維流動信息，并在此基礎上，組成光電測量陣列來測量流體三維流速流向的裝置，尤其適用于渾濁流體的測量。
【背景技術】
[0002]實際流體的環境是空間的，掌握三維流速流向信息在流動測量中有著重要意義。目前的技術主要有四類，一類主要依托二維測量裝置，通過矢量運算最終合成計算流體的流速和流向，這種方法主要用旋轉測速儀等形體較大的裝置，一方面占據了測量空間，使得測量的準確度下降，另外，旋轉機構的存在，擾亂了流場，導致測量結果不夠準確；第二類采用熱線熱膜的測量方法及裝置，但理想狀態是探針的熱膜或熱線要垂直于平均速度，對設備安裝使用的角度及位置有要求，需要多次調整位置進行校準，不利于隨機環境下的使用；第三類方法如激光多普勒技術等，這類技術可以準確的測量定點位置的三維流動信息，但設備昂貴，且激光測量技術受到流體環境渾濁度的影響，在渾濁區域不能使用，第四類采用壓差法測量流體速度及方向，由于流體環境中局部的壓差變化非常微弱，很難準確測量，誤差較大。
【發明內容】
[0003]為克服現有的三維流體測量技術的缺陷，本發明提供的一種可測量三維流速流向的裝置，目的在于從空間更準確的監測隨機流體三維信息，包括相對于裝置坐標系本身的流體流動方向及速度。
[0004]本發明提供的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，該裝置包括單片機和三個二維測量單元，各二維測量單元均安裝在三維測量基座上，三個二維測量單元中心軸線兩兩互相垂直，每個二維測量單元用于測量流體一個平面的二維流動信息；單片機利用各二維流動信息合成得到二維流動信息。
[0005]作為上述技術方案的一種改進，所述二維測量單元均包括測桿、連接柱、彈性阻尼體、二維PSD位置傳感器、激光發射準直系統和數據處理器；
[0006]底座為空腔結構，彈性阻尼體采用中心軸對稱幾何結構，以使得彈性阻尼體在各個方向產生的阻尼作用相同，彈性阻尼體安裝在底座頂部；連接柱上端與測桿固定連接，使測桿和連接柱能夠同步運動，連接柱中間部分與彈性阻尼體固定連接，使得連接柱與彈性阻尼體能夠隨測桿一同運動，連接柱下端穿過彈性阻尼體伸入到底座的內部空間，連接柱用于將流體對測桿的沖擊作用轉換為自身的同步運動；
[0007]連接柱的底部內固定安裝有所述激光發射準直系統，其發射光路上安裝有二維PSD位置傳感器，數據處理器與二維PSD位置傳感器電信號連接，數據處理器用于接收二維PSD位置傳感器提供的光斑中心的坐標信息，計算得到流體二維流速和流向，并提供給所述單片機。
[0008]作為上述技術方案的另一種改進，所述二維測量單元包括測桿、連接件、彈性阻尼體、底座、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；
[0009]所述測桿為中心軸對稱結構，呈柱狀；所述底座為空心結構，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測桿內部，另一端穿過彈性阻尼體中心位置并位于底座內部，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，導光管用于將光源發射模塊發出的散射光導出，其中心軸線與測桿的中心軸線重合，且與測桿保持同步運動，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測桿共軸線；由光源發射模塊發出的散射光經導光管導出，并通過光學透鏡聚光后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并集中的光斑；
[0010]數據處理器與光學定位傳感器電信號連接，用于接收光學定位傳感器提供的光斑中心的坐標信息，即得到當前測桿偏離靜止位置的角度，計算得到流體的流速和流向。
[0011]作為上述技術方案的再一種改進，所述二維測量單元包括測桿，壓電纖維束激光發射準直系統，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，數據處理器；
[0012]彈性阻尼體安裝在底座上，測桿安裝在彈性阻尼體上，測桿與彈性阻尼體采用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位于測桿的上部，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；
[0013]激光發射準直系統安裝在測桿的下部，激光發射準直系統下端穿過彈性阻尼體進入到底座內部，激光發射準直系統用于發射準直的激光光線；
[0014]底座空腔內固定安裝有依次電信號連接的二維PSD位移傳感器數據處理器；
[0015]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于傳輸數據，還用于為數據處理器、激光發射準直系統板提供電源；
[0016]數據處理器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；
[0017]二維PSD位移傳感器用于接收激光發射準直系統出射的激光束，二維PSD位移傳感器將發生光電反應產生的電信號提供給數據處理器；數據處理器獲得二維PSD位移傳感器的測量信號，計算得到激光束光斑中心的坐標值，以得到流體的流向。
[0018]所述測桿結構為能夠防止卡門渦街產生的波浪狀結構，如仿海豹的觸須。
[0019]所述二維測量單元內均可不設置數據處理器，數據處理器的功能均由單片機負責完成。
[0020]本發明以可監測二維流動信息的光電測量裝置為一個探測單元，按照陣列分布多個探測單元，對于來流的方向和速度采用矢量合成的方法，可實時監測空間流體三維信息，采用波浪狀桿體測量機構，可有效防止卡門渦街的產生，減弱對流場的干擾，并提高測量結果的準確度。
[0021]基于本發明的裝置造價低，適用范圍廣，測量結果準確。采用本發明還可以為水下機器人、潛艇等水下航行器，模型飛機、無人機、載人飛機等低、中、高空飛行器提供外圍局部流場實時監測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為三維流速流向測量裝置側視圖；
[0023]圖2為三維流速流向測量裝置俯視圖；
[0024]圖3為空間直角坐標系示意圖；
[0025]圖4為單個二維測量單元的一種【具體實施方式】的結構圖；
[0026]圖5為單個二維測量單元測量結果分析示意圖；
[0027]圖6為單個二維測量單元幾何關系圖；
[0028]圖7為單個二維測量單元標定示意圖；
[0029]圖8來流空間測量原理圖；
[0030]圖9為陣列實施測量的坐標示意圖；
[0031]圖10為單個二維測量單元的第二種【具體實施方式】的結構圖。
[0032]圖11為單個二維測量單元的第二種【具體實施方式】的測量原理圖。
[0033]圖12(a)為單個二維測量單元的第二種【具體實施方式】的光斑定位圖；圖12(b)為光斑中心的示意圖。
[0034]圖13為單個二維測量單元的第三種【具體實施方式】的結構圖。
[0035]圖14為單個二維測量單元的第三種【具體實施方式】的測量原理圖。
[0036]圖15a為單個二維測量單元的第三種【具體實施方式】的壓電原理圖，圖15b為由X、r、P三個方向組成的圓柱坐標軸示意圖。
[0037]圖中，I至3分別為第一至第三測量單元，4為三維測量基座，5為測桿，6為連接柱，7為彈性阻尼體，8為底座，9為彈性導線，10為二維PSD位置傳感器，11為PSD傳感器承載板，12為信號線，13為數據處理器，14為電路板支座，15為信號傳輸接口，16為調速電機，17為直線導軌，18為拉繩，19為載物臺，20為水槽，21為水，22為激光發射準直系統，23為導光管，24為光學透鏡,25為光學定位傳感器,26為定位栓,27為光源發射模塊,28為光學透鏡固定支座，29為光學定位傳感器固定支座，30為壓電纖維束，31為上壓電集電極，32為上壓電集電極輸出導線，33為下壓電集電極，34為下壓電集電極輸出導線。
【具體實施方式】
[0038]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，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并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征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0039]本發明實施例中為測量三維流動信息，如圖1，2所示，采用了第一至第三測量單元1、2、3組成了空間測量機構，建立如圖3所示的空間直角坐標系，三個測量單元沿空間直角坐標系的三個坐標軸安裝，集中安裝在三維測量基座4上，空間坐標系的原點為三個測量單元的中心軸線的交點，三維測量基座4為正方體結構，三個相鄰面分別安裝有一個二維測量單元，形成空間陣列，三個二維測量單元中心軸線兩兩互相垂直，三維測量基座4的另外三個空余的面可供測量時支撐機構定位安裝使用。三維測量基座4內安裝有單片機。每個二維測量單元可以測量與其底座8所在平面相平行的二維流動信息，并提供給單片機。單片機通過三個測量單元測量結果的合成可得到三維的流動信息。
[0040](I)實施例中單個二維測量單元測量流體二維信息的原理為:
[0041]如圖4所示，測桿5固定在連接柱6上，測桿5可由硬度超過邵氏A75的樹脂、高硬度聚氨酯等韌性材料做成，可以對流體運動的沖擊做出反應，帶動與測桿5固定連接的連接柱6實現同步運動。連接柱6采用鋁合金、銅等金屬材料做外殼，硬度較大，可視為剛體，其上端與測桿5固定連接，其中間部分與彈性阻尼體7固定連接，其下端穿過彈性阻尼體7深入到底座8的內部空間，連接柱6將流體對測桿5的沖擊作用轉換為自身的同步運動。實施例中的彈性阻尼體7采用了中心軸對稱幾何結構，以使得彈性阻尼體7在受到大小相同的軸向作用力時產生的阻尼作用各個方向相同，可采用聚氨酯、硅膠等材料制作，硬度在邵氏A40到60之間，彈性模量在3MPa以上，實施例中采用邵氏硬度為邵氏A52，彈性模量為3.5MPa硅膠，可及時準確反應測桿5受到一定流速流體的作用效果。在底座8外殼頂端預留有相應的槽口，可完成對彈性阻尼體7的固定，并完成對底座8的密封。彈性阻尼體7與連接柱6固定連接，使得連接柱6與彈性阻尼體7可隨測桿5的運動而運動，且以彈性阻尼體7的中心軸線為軸具有各向同性，即對來自各個可能方向的等速度水流的沖擊的作用效果均等一致，并在流體運動消失或流速下降時，在彈性阻尼體7的粘彈性及回彈性作用下實現位置的恢復，可準確及時反映流體流速及流向的變化，彈性阻尼體7表現出的阻尼作用與流體沖擊方向相反，構成以彈性阻尼體7的中心為支點的彈性杠桿機構，從而連接柱6的運動方向與流體運動方向相同。在底座8內部，連接柱6內固定安裝有激光發射準直系統22，激光發射準直系統22主要包括激光光源和準直系統，光源可采用激光二極管等微小光源，以光束直徑不超過Imm的激光打在二維PSD位置傳感器10上，光束的運動在二維PSD位置傳感器10上不斷記錄下來，通過數據處理器13處理后得到激光光束中心的運動路徑及方向，進一步可得到激光光束的偏轉角度，二維PSD位置傳感器10固定在PSD傳感器承載板11上，數據處理器13通過電路板支座14固定在底座8內，由信號傳輸接口15引來的電源線轉接數據處理器13，再通過彈性導線9為連接柱6內的激光發射準直系統供電，測量信號經數據處理器13處理后，通過信號轉接口 15傳出到三維測量基座4內，用于最后的測量結果處理。通過建立激光光束偏轉角度與流體運動速度的關系，可以進一步得到流體的二維流動速度和方向。
[0042]測桿5在流體的沖擊作用下產生偏移運動，彈性阻尼體7約束測桿5的運動，使得二維測量單元可簡化為彈簧-慣量-阻尼模型，其中，Θ為流速為V的流體沖擊測桿5使其偏轉的角度，F為流體的沖擊力，又稱拖曳力，L1為從測桿5頂端到彈性阻尼體7中心的長度，L2為從彈性阻尼體7的中心到達連接柱底端的長度，C1, C2分別為彈性阻尼體7簡化模型中扭轉阻尼系數和拉伸阻尼系數，k1、k2分別為彈性阻尼體7簡化模型中扭轉剛度系數和拉伸剛度系數，J為測桿5的轉動慣量。
[0043]該模型的二階傳遞函數為:
【權利要求】
1.一種測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，該裝置包括單片機和三個二維測量單元，各二維測量單元均安裝在三維測量基座上，三個二維測量單元中心軸線兩兩互相垂直，每個二維測量單元用于流體一個平面的二維流動信息；單片機利用各二維流動信息合成得到二維流動信息。
2.根據權利要求1所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，所述二維測量單元均包括測桿、連接柱、彈性阻尼體、二維PSD位置傳感器、激光發射準直系統和數據處理器； 所述底座為空腔結構，彈性阻尼體采用中心軸對稱幾何結構，以使得彈性阻尼體在各個方向產生的阻尼作用相同，彈性阻尼體安裝在底座頂部；連接柱上端與測桿固定連接，使測桿和連接柱能夠同步運動，連接柱中間部分與彈性阻尼體固定連接，使得連接柱與彈性阻尼體能夠隨測桿一同運動，連接柱下端穿過彈性阻尼體伸入到底座的內部空間，連接柱用于將流體對測桿的沖擊作用轉換為自身的同步運動； 所述連接柱的底部內固定安裝有所述激光發射準直系統，其發射光路上安裝有二維PSD位置傳感器，數據處理器與二維PSD位置傳感器電信號連接，數據處理器用于接收二維PSD位置傳感器提供的光斑中心的坐標信息，計算得到流體二維流速和流向，并提供給所述單片機。
3.根據權利要求1所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，所述二維測量單元包括測桿、連接件、彈性阻尼體、底座、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； 所述測桿為中心軸對稱結構，呈柱狀；所述底座為空心結構，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測桿內部，另一端穿過彈性阻尼體中心位置并位于底座內部，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，導光管用于將光源發射模塊發出的散射光導出，其中心軸線與測桿的中心軸線重合，且與測桿保持同步運動，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測桿共軸線；由光源發射模塊發出的散射光經導光管導出，并通過光學透鏡聚光后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并集中的光斑； 所述數據處理器與光學定位傳感器電信號連接，用于接收光學定位傳感器提供的光斑中心的坐標信息，即得到當前測桿偏離靜止位置的角度，計算得到流體的流速和流向。
4.根據權利要求1所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，所述二維測量單元包括測桿，壓電纖維束激光發射準直系統，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，數據處理器； 所述彈性阻尼體安裝在底座上，測桿安裝在彈性阻尼體上，測桿與彈性阻尼體采用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位于測桿的上部，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； 所述激光發射準直系統安裝在測桿的下部，激光發射準直系統下端穿過彈性阻尼體進入到底座內部，激光發射準直系統用于發射準直的激光光線； 所述底座空腔內固定安裝有依次電信號連接的二維PSD位移傳感器數據處理器； 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于傳輸數據，還用于為數據處理器、激光發射準直系統板提供電源； 所述數據處理器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射準直系統出射的激光束，二維PSD位移傳感器將發生光電反應產生的電信號提供給數據處理器；數據處理器獲得二維PSD位移傳感器的測量信號，計算得到激光束光斑中心的坐標值，以得到流體的流向。
5.根據權利要求1至4中任一所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，各所述數據處理器利用式I或式II計算流體流速分量V:
kp k2分別為彈性阻尼體的扭轉剛度系數和拉伸剛度系數，L2為從彈性阻尼體的中心到達連接柱底端的長度，Θ為測桿偏轉的角度，P為流體密度，A為流體在測桿上的作用面積，C為測桿拖拽力系數； m, a為裝置的標定系數。
6.根據權利要求1至4中任一所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，設X軸、y軸、Z軸布置的二維測量單元所測量得到的流速分量分別為Vx、vy, Vz,速度Vtest為:
設速度矢量Vtest在三坐標軸上的投影坐標為(a，b, c)，三組測量平面的坐標值分別為(Α,y/,ζ/), (χ；, Δ,ζ；), (x3’，y3’，Δ), Δ為每個測量平面距離空間直角坐標系原點的距離；按下述方式判斷(a，b，c)的取值符號:
7.根據權利要求6測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，若其中出現兩兩的乘積x2’x3’ <0*y/y3’ < O或z2’z/ < O,表明來流沖擊方向已經導致二維測量單元的測桿發生了振顫，可能導致測桿損壞或失效，或來流超出測量范圍。
8.根據權利要求2至4中任一所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，所述測桿的結構為仿海豹的觸須或者其它任一能夠防止卡門渦街產生的波浪狀結構；所述三維測量基座安裝有轉動調姿機構，以得到需要的測量方位。
9.根據權利要求2至4中任一所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，所述測桿采用硬度超過邵氏A75的韌性材料，如樹脂、高硬度聚氨酯，所述彈性阻尼體采用硬度在邵氏A40到60之間，彈性模量在3MPa以上的材料制作。
10.根據權利要求2至4中任一所述的測量流體三維流動信息的裝置，其特征在于，所述單片機負責對所述二維測量單元的數據進行處理，完成各數據處理器的任務，替代各二維測量單元內的數據處理器。
【文檔編號】G01P13/02GK104198759SQ201410430580
【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
專業數控銑床產品供應商
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