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一种可测量浑浊流体三维流动信息的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种测量流体三维流动信息的装置，该装置包括单片机和三个二维测量单元，各二维测量单元均安装在三维测量基座上，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，每个二维测量单元用于一个平面的二维流动信息；单片机利用各二维流动信息合成得到三维的流动信息。本发明为海洋湖泊等水下环境监测、中高空流体环境监测等领域提供了一种实时获取空间流体三维信息的新方法。采用本发明还可以为水下机器人、潜艇等水下航行器，模型飞机、无人机、载人飞机等低、中、高空飞行器提供外围局部流场实时监测。
【专利说明】一种可测量浑浊流体三维流动信息的装置

【技术领域】
[0001]本发明属于流动测量技术，涉及了一种测量流动信息的装置，具体地说，提出了一种采用光电技术测量二维流动信息，并在此基础上，组成光电测量阵列来测量流体三维流速流向的装置，尤其适用于浑浊流体的测量。

【背景技术】
[0002]实际流体的环境是空间的，掌握三维流速流向信息在流动测量中有着重要意义。目前的技术主要有四类，一类主要依托二维测量装置，通过矢量运算最终合成计算流体的流速和流向，这种方法主要用旋转测速仪等形体较大的装置，一方面占据了测量空间，使得测量的准确度下降，另外，旋转机构的存在，扰乱了流场，导致测量结果不够准确；第二类采用热线热膜的测量方法及装置，但理想状态是探针的热膜或热线要垂直于平均速度，对设备安装使用的角度及位置有要求，需要多次调整位置进行校准，不利于随机环境下的使用；第三类方法如激光多普勒技术等，这类技术可以准确的测量定点位置的三维流动信息，但设备昂贵，且激光测量技术受到流体环境浑浊度的影响，在浑浊区域不能使用，第四类采用压差法测量流体速度及方向，由于流体环境中局部的压差变化非常微弱，很难准确测量，误差较大。


【发明内容】

[0003]为克服现有的三维流体测量技术的缺陷，本发明提供的一种可测量三维流速流向的装置，目的在于从空间更准确的监测随机流体三维信息，包括相对于装置坐标系本身的流体流动方向及速度。
[0004]本发明提供的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，该装置包括单片机和三个二维测量单元，各二维测量单元均安装在三维测量基座上，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，每个二维测量单元用于测量流体一个平面的二维流动信息；单片机利用各二维流动信息合成得到二维流动信息。
[0005]作为上述技术方案的一种改进，所述二维测量单元均包括测杆、连接柱、弹性阻尼体、二维PSD位置传感器、激光发射准直系统和数据处理器；
[0006]底座为空腔结构，弹性阻尼体采用中心轴对称几何结构，以使得弹性阻尼体在各个方向产生的阻尼作用相同，弹性阻尼体安装在底座顶部；连接柱上端与测杆固定连接，使测杆和连接柱能够同步运动，连接柱中间部分与弹性阻尼体固定连接，使得连接柱与弹性阻尼体能够随测杆一同运动，连接柱下端穿过弹性阻尼体伸入到底座的内部空间，连接柱用于将流体对测杆的冲击作用转换为自身的同步运动；
[0007]连接柱的底部内固定安装有所述激光发射准直系统，其发射光路上安装有二维PSD位置传感器，数据处理器与二维PSD位置传感器电信号连接，数据处理器用于接收二维PSD位置传感器提供的光斑中心的坐标信息，计算得到流体二维流速和流向，并提供给所述单片机。
[0008]作为上述技术方案的另一种改进，所述二维测量单元包括测杆、连接件、弹性阻尼体、底座、导光管、光学透镜、光学定位传感器、光源发射模块和数据处理器；
[0009]所述测杆为中心轴对称结构，呈柱状；所述底座为空心结构，其上盖板上固定安装有弹性阻尼体；所述连接件的一端包裹在测杆内部，另一端穿过弹性阻尼体中心位置并位于底座内部，且连接件中部固定在弹性阻尼体上，连接件的底端安装有光源发射模块，导光管用于将光源发射模块发出的散射光导出，其中心轴线与测杆的中心轴线重合，且与测杆保持同步运动，且与弹性阻尼体的中心方向相反，光源发射模块下方依次布置有光学透镜和光学定位传感器，光学透镜与光学定位传感器及静止位置的测杆共轴线；由光源发射模块发出的散射光经导光管导出，并通过光学透镜聚光后投射至光学定位传感器上，在光学定位传感器上生成一个亮度均匀并集中的光斑；
[0010]数据处理器与光学定位传感器电信号连接，用于接收光学定位传感器提供的光斑中心的坐标信息，即得到当前测杆偏离静止位置的角度，计算得到流体的流速和流向。
[0011]作为上述技术方案的再一种改进，所述二维测量单元包括测杆，压电纤维束激光发射准直系统，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，数据处理器；
[0012]弹性阻尼体安装在底座上，测杆安装在弹性阻尼体上，测杆与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于测杆的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差；
[0013]激光发射准直系统安装在测杆的下部，激光发射准直系统下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直系统用于发射准直的激光光线；
[0014]底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器数据处理器；
[0015]底座的底面中心安装有防水信号线转接口 ；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为数据处理器、激光发射准直系统板提供电源；
[0016]数据处理器与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速；
[0017]二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直系统出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号提供给数据处理器；数据处理器获得二维PSD位移传感器的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。
[0018]所述测杆结构为能够防止卡门涡街产生的波浪状结构，如仿海豹的触须。
[0019]所述二维测量单元内均可不设置数据处理器，数据处理器的功能均由单片机负责完成。
[0020]本发明以可监测二维流动信息的光电测量装置为一个探测单元，按照阵列分布多个探测单元，对于来流的方向和速度采用矢量合成的方法，可实时监测空间流体三维信息，采用波浪状杆体测量机构，可有效防止卡门涡街的产生，减弱对流场的干扰，并提高测量结果的准确度。
[0021]基于本发明的装置造价低，适用范围广，测量结果准确。采用本发明还可以为水下机器人、潜艇等水下航行器，模型飞机、无人机、载人飞机等低、中、高空飞行器提供外围局部流场实时监测。

【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1为三维流速流向测量装置侧视图；
[0023]图2为三维流速流向测量装置俯视图；
[0024]图3为空间直角坐标系示意图；
[0025]图4为单个二维测量单元的一种【具体实施方式】的结构图；
[0026]图5为单个二维测量单元测量结果分析示意图；
[0027]图6为单个二维测量单元几何关系图；
[0028]图7为单个二维测量单元标定示意图；
[0029]图8来流空间测量原理图；
[0030]图9为阵列实施测量的坐标示意图；
[0031]图10为单个二维测量单元的第二种【具体实施方式】的结构图。
[0032]图11为单个二维测量单元的第二种【具体实施方式】的测量原理图。
[0033]图12(a)为单个二维测量单元的第二种【具体实施方式】的光斑定位图；图12(b)为光斑中心的示意图。
[0034]图13为单个二维测量单元的第三种【具体实施方式】的结构图。
[0035]图14为单个二维测量单元的第三种【具体实施方式】的测量原理图。
[0036]图15a为单个二维测量单元的第三种【具体实施方式】的压电原理图，图15b为由X、r、P三个方向组成的圆柱坐标轴示意图。
[0037]图中，I至3分别为第一至第三测量单元，4为三维测量基座，5为测杆，6为连接柱，7为弹性阻尼体，8为底座，9为弹性导线，10为二维PSD位置传感器，11为PSD传感器承载板，12为信号线，13为数据处理器，14为电路板支座，15为信号传输接口，16为调速电机，17为直线导轨，18为拉绳，19为载物台，20为水槽，21为水，22为激光发射准直系统，23为导光管，24为光学透镜,25为光学定位传感器,26为定位栓,27为光源发射模块,28为光学透镜固定支座，29为光学定位传感器固定支座，30为压电纤维束，31为上压电集电极，32为上压电集电极输出导线，33为下压电集电极，34为下压电集电极输出导线。

【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039]本发明实施例中为测量三维流动信息，如图1，2所示，采用了第一至第三测量单元1、2、3组成了空间测量机构，建立如图3所示的空间直角坐标系，三个测量单元沿空间直角坐标系的三个坐标轴安装，集中安装在三维测量基座4上，空间坐标系的原点为三个测量单元的中心轴线的交点，三维测量基座4为正方体结构，三个相邻面分别安装有一个二维测量单元，形成空间阵列，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，三维测量基座4的另外三个空余的面可供测量时支撑机构定位安装使用。三维测量基座4内安装有单片机。每个二维测量单元可以测量与其底座8所在平面相平行的二维流动信息，并提供给单片机。单片机通过三个测量单元测量结果的合成可得到三维的流动信息。
[0040](I)实施例中单个二维测量单元测量流体二维信息的原理为:
[0041]如图4所示，测杆5固定在连接柱6上，测杆5可由硬度超过邵氏A75的树脂、高硬度聚氨酯等韧性材料做成，可以对流体运动的冲击做出反应，带动与测杆5固定连接的连接柱6实现同步运动。连接柱6采用铝合金、铜等金属材料做外壳，硬度较大，可视为刚体，其上端与测杆5固定连接，其中间部分与弹性阻尼体7固定连接，其下端穿过弹性阻尼体7深入到底座8的内部空间，连接柱6将流体对测杆5的冲击作用转换为自身的同步运动。实施例中的弹性阻尼体7采用了中心轴对称几何结构，以使得弹性阻尼体7在受到大小相同的轴向作用力时产生的阻尼作用各个方向相同，可采用聚氨酯、硅胶等材料制作，硬度在邵氏A40到60之间，弹性模量在3MPa以上，实施例中采用邵氏硬度为邵氏A52，弹性模量为3.5MPa硅胶，可及时准确反应测杆5受到一定流速流体的作用效果。在底座8外壳顶端预留有相应的槽口，可完成对弹性阻尼体7的固定，并完成对底座8的密封。弹性阻尼体7与连接柱6固定连接，使得连接柱6与弹性阻尼体7可随测杆5的运动而运动，且以弹性阻尼体7的中心轴线为轴具有各向同性，即对来自各个可能方向的等速度水流的冲击的作用效果均等一致，并在流体运动消失或流速下降时，在弹性阻尼体7的粘弹性及回弹性作用下实现位置的恢复，可准确及时反映流体流速及流向的变化，弹性阻尼体7表现出的阻尼作用与流体冲击方向相反，构成以弹性阻尼体7的中心为支点的弹性杠杆机构，从而连接柱6的运动方向与流体运动方向相同。在底座8内部，连接柱6内固定安装有激光发射准直系统22，激光发射准直系统22主要包括激光光源和准直系统，光源可采用激光二极管等微小光源，以光束直径不超过Imm的激光打在二维PSD位置传感器10上，光束的运动在二维PSD位置传感器10上不断记录下来，通过数据处理器13处理后得到激光光束中心的运动路径及方向，进一步可得到激光光束的偏转角度，二维PSD位置传感器10固定在PSD传感器承载板11上，数据处理器13通过电路板支座14固定在底座8内，由信号传输接口15引来的电源线转接数据处理器13，再通过弹性导线9为连接柱6内的激光发射准直系统供电，测量信号经数据处理器13处理后，通过信号转接口 15传出到三维测量基座4内，用于最后的测量结果处理。通过建立激光光束偏转角度与流体运动速度的关系，可以进一步得到流体的二维流动速度和方向。
[0042]测杆5在流体的冲击作用下产生偏移运动，弹性阻尼体7约束测杆5的运动，使得二维测量单元可简化为弹簧-惯量-阻尼模型，其中，Θ为流速为V的流体冲击测杆5使其偏转的角度，F为流体的冲击力，又称拖曳力，L1为从测杆5顶端到弹性阻尼体7中心的长度，L2为从弹性阻尼体7的中心到达连接柱底端的长度，C1, C2分别为弹性阻尼体7简化模型中扭转阻尼系数和拉伸阻尼系数，k1、k2分别为弹性阻尼体7简化模型中扭转刚度系数和拉伸刚度系数，J为测杆5的转动惯量。
[0043]该模型的二阶传递函数为:

【权利要求】
1.一种测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，该装置包括单片机和三个二维测量单元，各二维测量单元均安装在三维测量基座上，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，每个二维测量单元用于流体一个平面的二维流动信息；单片机利用各二维流动信息合成得到二维流动信息。
2.根据权利要求1所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述二维测量单元均包括测杆、连接柱、弹性阻尼体、二维PSD位置传感器、激光发射准直系统和数据处理器； 所述底座为空腔结构，弹性阻尼体采用中心轴对称几何结构，以使得弹性阻尼体在各个方向产生的阻尼作用相同，弹性阻尼体安装在底座顶部；连接柱上端与测杆固定连接，使测杆和连接柱能够同步运动，连接柱中间部分与弹性阻尼体固定连接，使得连接柱与弹性阻尼体能够随测杆一同运动，连接柱下端穿过弹性阻尼体伸入到底座的内部空间，连接柱用于将流体对测杆的冲击作用转换为自身的同步运动； 所述连接柱的底部内固定安装有所述激光发射准直系统，其发射光路上安装有二维PSD位置传感器，数据处理器与二维PSD位置传感器电信号连接，数据处理器用于接收二维PSD位置传感器提供的光斑中心的坐标信息，计算得到流体二维流速和流向，并提供给所述单片机。
3.根据权利要求1所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述二维测量单元包括测杆、连接件、弹性阻尼体、底座、导光管、光学透镜、光学定位传感器、光源发射模块和数据处理器； 所述测杆为中心轴对称结构，呈柱状；所述底座为空心结构，其上盖板上固定安装有弹性阻尼体；所述连接件的一端包裹在测杆内部，另一端穿过弹性阻尼体中心位置并位于底座内部，且连接件中部固定在弹性阻尼体上，连接件的底端安装有光源发射模块，导光管用于将光源发射模块发出的散射光导出，其中心轴线与测杆的中心轴线重合，且与测杆保持同步运动，且与弹性阻尼体的中心方向相反，光源发射模块下方依次布置有光学透镜和光学定位传感器，光学透镜与光学定位传感器及静止位置的测杆共轴线；由光源发射模块发出的散射光经导光管导出，并通过光学透镜聚光后投射至光学定位传感器上，在光学定位传感器上生成一个亮度均匀并集中的光斑； 所述数据处理器与光学定位传感器电信号连接，用于接收光学定位传感器提供的光斑中心的坐标信息，即得到当前测杆偏离静止位置的角度，计算得到流体的流速和流向。
4.根据权利要求1所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述二维测量单元包括测杆，压电纤维束激光发射准直系统，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，数据处理器； 所述弹性阻尼体安装在底座上，测杆安装在弹性阻尼体上，测杆与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于测杆的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差； 所述激光发射准直系统安装在测杆的下部，激光发射准直系统下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直系统用于发射准直的激光光线； 所述底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器数据处理器； 所述底座的底面中心安装有防水信号线转接口 ；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为数据处理器、激光发射准直系统板提供电源； 所述数据处理器与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速； 所述二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直系统出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号提供给数据处理器；数据处理器获得二维PSD位移传感器的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。
5.根据权利要求1至4中任一所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，各所述数据处理器利用式I或式II计算流体流速分量V:
kp k2分别为弹性阻尼体的扭转刚度系数和拉伸刚度系数，L2为从弹性阻尼体的中心到达连接柱底端的长度，Θ为测杆偏转的角度，P为流体密度，A为流体在测杆上的作用面积，C为测杆拖拽力系数； m, a为装置的标定系数。
6.根据权利要求1至4中任一所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，设X轴、y轴、Z轴布置的二维测量单元所测量得到的流速分量分别为Vx、vy, Vz,速度Vtest为:
设速度矢量Vtest在三坐标轴上的投影坐标为(a，b, c)，三组测量平面的坐标值分别为(Α,y/,ζ/), (χ；, Δ,ζ；), (x3’，y3’，Δ), Δ为每个测量平面距离空间直角坐标系原点的距离；按下述方式判断(a，b，c)的取值符号:
7.根据权利要求6测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，若其中出现两两的乘积x2’x3’ <0*y/y3’ < O或z2’z/ < O,表明来流冲击方向已经导致二维测量单元的测杆发生了振颤，可能导致测杆损坏或失效，或来流超出测量范围。
8.根据权利要求2至4中任一所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述测杆的结构为仿海豹的触须或者其它任一能够防止卡门涡街产生的波浪状结构；所述三维测量基座安装有转动调姿机构，以得到需要的测量方位。
9.根据权利要求2至4中任一所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述测杆采用硬度超过邵氏A75的韧性材料，如树脂、高硬度聚氨酯，所述弹性阻尼体采用硬度在邵氏A40到60之间，弹性模量在3MPa以上的材料制作。
10.根据权利要求2至4中任一所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述单片机负责对所述二维测量单元的数据进行处理，完成各数据处理器的任务，替代各二维测量单元内的数据处理器。
【文档编号】G01P13/02GK104198759SQ201410430580
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】陈学东, 朱连利 申请人:华中科技大学