一種可測(cè)量渾濁流體三維流動(dòng)信息的裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，該裝置包括單片機(jī)和三個(gè)二維測(cè)量單元，各二維測(cè)量單元均安裝在三維測(cè)量基座上，三個(gè)二維測(cè)量單元中心軸線(xiàn)兩兩互相垂直，每個(gè)二維測(cè)量單元用于一個(gè)平面的二維流動(dòng)信息；單片機(jī)利用各二維流動(dòng)信息合成得到三維的流動(dòng)信息。本發(fā)明為海洋湖泊等水下環(huán)境監(jiān)測(cè)、中高空流體環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了一種實(shí)時(shí)獲取空間流體三維信息的新方法。采用本發(fā)明還可以為水下機(jī)器人、潛艇等水下航行器，模型飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、載人飛機(jī)等低、中、高空飛行器提供外圍局部流場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種可測(cè)量渾濁流體三維流動(dòng)信息的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流動(dòng)測(cè)量技術(shù)，涉及了一種測(cè)量流動(dòng)信息的裝置，具體地說(shuō)，提出了一種采用光電技術(shù)測(cè)量二維流動(dòng)信息，并在此基礎(chǔ)上，組成光電測(cè)量陣列來(lái)測(cè)量流體三維流速流向的裝置，尤其適用于渾濁流體的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)際流體的環(huán)境是空間的，掌握三維流速流向信息在流動(dòng)測(cè)量中有著重要意義。目前的技術(shù)主要有四類(lèi)，一類(lèi)主要依托二維測(cè)量裝置，通過(guò)矢量運(yùn)算最終合成計(jì)算流體的流速和流向，這種方法主要用旋轉(zhuǎn)測(cè)速儀等形體較大的裝置，一方面占據(jù)了測(cè)量空間，使得測(cè)量的準(zhǔn)確度下降，另外，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的存在，擾亂了流場(chǎng)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確；第二類(lèi)采用熱線(xiàn)熱膜的測(cè)量方法及裝置，但理想狀態(tài)是探針的熱膜或熱線(xiàn)要垂直于平均速度，對(duì)設(shè)備安裝使用的角度及位置有要求，需要多次調(diào)整位置進(jìn)行校準(zhǔn)，不利于隨機(jī)環(huán)境下的使用；第三類(lèi)方法如激光多普勒技術(shù)等，這類(lèi)技術(shù)可以準(zhǔn)確的測(cè)量定點(diǎn)位置的三維流動(dòng)信息，但設(shè)備昂貴，且激光測(cè)量技術(shù)受到流體環(huán)境渾濁度的影響，在渾濁區(qū)域不能使用，第四類(lèi)采用壓差法測(cè)量流體速度及方向，由于流體環(huán)境中局部的壓差變化非常微弱，很難準(zhǔn)確測(cè)量，誤差較大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為克服現(xiàn)有的三維流體測(cè)量技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供的一種可測(cè)量三維流速流向的裝置，目的在于從空間更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)隨機(jī)流體三維信息，包括相對(duì)于裝置坐標(biāo)系本身的流體流動(dòng)方向及速度。
[0004]本發(fā)明提供的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，該裝置包括單片機(jī)和三個(gè)二維測(cè)量單元，各二維測(cè)量單元均安裝在三維測(cè)量基座上，三個(gè)二維測(cè)量單元中心軸線(xiàn)兩兩互相垂直，每個(gè)二維測(cè)量單元用于測(cè)量流體一個(gè)平面的二維流動(dòng)信息；單片機(jī)利用各二維流動(dòng)信息合成得到二維流動(dòng)信息。
[0005]作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述二維測(cè)量單元均包括測(cè)桿、連接柱、彈性阻尼體、二維PSD位置傳感器、激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理器；
[0006]底座為空腔結(jié)構(gòu)，彈性阻尼體采用中心軸對(duì)稱(chēng)幾何結(jié)構(gòu)，以使得彈性阻尼體在各個(gè)方向產(chǎn)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(cè)桿固定連接，使測(cè)桿和連接柱能夠同步運(yùn)動(dòng)，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(cè)桿一同運(yùn)動(dòng)，連接柱下端穿過(guò)彈性阻尼體伸入到底座的內(nèi)部空間，連接柱用于將流體對(duì)測(cè)桿的沖擊作用轉(zhuǎn)換為自身的同步運(yùn)動(dòng)；
[0007]連接柱的底部?jī)?nèi)固定安裝有所述激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)，其發(fā)射光路上安裝有二維PSD位置傳感器，數(shù)據(jù)處理器與二維PSD位置傳感器電信號(hào)連接，數(shù)據(jù)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(biāo)信息，計(jì)算得到流體二維流速和流向，并提供給所述單片機(jī)。
[0008]作為上述技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述二維測(cè)量單元包括測(cè)桿、連接件、彈性阻尼體、底座、導(dǎo)光管、光學(xué)透鏡、光學(xué)定位傳感器、光源發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)處理器；
[0009]所述測(cè)桿為中心軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，呈柱狀；所述底座為空心結(jié)構(gòu)，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(cè)桿內(nèi)部，另一端穿過(guò)彈性阻尼體中心位置并位于底座內(nèi)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(fā)射模塊，導(dǎo)光管用于將光源發(fā)射模塊發(fā)出的散射光導(dǎo)出，其中心軸線(xiàn)與測(cè)桿的中心軸線(xiàn)重合，且與測(cè)桿保持同步運(yùn)動(dòng)，且與彈性阻尼體的中心方向相反，光源發(fā)射模塊下方依次布置有光學(xué)透鏡和光學(xué)定位傳感器，光學(xué)透鏡與光學(xué)定位傳感器及靜止位置的測(cè)桿共軸線(xiàn)；由光源發(fā)射模塊發(fā)出的散射光經(jīng)導(dǎo)光管導(dǎo)出，并通過(guò)光學(xué)透鏡聚光后投射至光學(xué)定位傳感器上，在光學(xué)定位傳感器上生成一個(gè)亮度均勻并集中的光斑；
[0010]數(shù)據(jù)處理器與光學(xué)定位傳感器電信號(hào)連接，用于接收光學(xué)定位傳感器提供的光斑中心的坐標(biāo)信息，即得到當(dāng)前測(cè)桿偏離靜止位置的角度，計(jì)算得到流體的流速和流向。
[0011]作為上述技術(shù)方案的再一種改進(jìn)，所述二維測(cè)量單元包括測(cè)桿，壓電纖維束激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，數(shù)據(jù)處理器；
[0012]彈性阻尼體安裝在底座上，測(cè)桿安裝在彈性阻尼體上，測(cè)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(cè)桿的上部，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(gè)壓電集電極極性相反以形成電壓差；
[0013]激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝在測(cè)桿的下部，激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)下端穿過(guò)彈性阻尼體進(jìn)入到底座內(nèi)部，激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)用于發(fā)射準(zhǔn)直的激光光線(xiàn)；
[0014]底座空腔內(nèi)固定安裝有依次電信號(hào)連接的二維PSD位移傳感器數(shù)據(jù)處理器；
[0015]底座的底面中心安裝有防水信號(hào)線(xiàn)轉(zhuǎn)接口 ；防水信號(hào)線(xiàn)轉(zhuǎn)接口用于傳輸數(shù)據(jù)，還用于為數(shù)據(jù)處理器、激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)板提供電源；
[0016]數(shù)據(jù)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(hào)，以獲得流體的流速；
[0017]二維PSD位移傳感器用于接收激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)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(hào)提供給數(shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器獲得二維PSD位移傳感器的測(cè)量信號(hào)，計(jì)算得到激光束光斑中心的坐標(biāo)值，以得到流體的流向。
[0018]所述測(cè)桿結(jié)構(gòu)為能夠防止卡門(mén)渦街產(chǎn)生的波浪狀結(jié)構(gòu)，如仿海豹的觸須。
[0019]所述二維測(cè)量單元內(nèi)均可不設(shè)置數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器的功能均由單片機(jī)負(fù)責(zé)完成。
[0020]本發(fā)明以可監(jiān)測(cè)二維流動(dòng)信息的光電測(cè)量裝置為一個(gè)探測(cè)單元，按照陣列分布多個(gè)探測(cè)單元，對(duì)于來(lái)流的方向和速度采用矢量合成的方法，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間流體三維信息，采用波浪狀桿體測(cè)量機(jī)構(gòu)，可有效防止卡門(mén)渦街的產(chǎn)生，減弱對(duì)流場(chǎng)的干擾，并提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。
[0021]基于本發(fā)明的裝置造價(jià)低，適用范圍廣，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。采用本發(fā)明還可以為水下機(jī)器人、潛艇等水下航行器，模型飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、載人飛機(jī)等低、中、高空飛行器提供外圍局部流場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為三維流速流向測(cè)量裝置側(cè)視圖；
[0023]圖2為三維流速流向測(cè)量裝置俯視圖；
[0024]圖3為空間直角坐標(biāo)系示意圖；
[0025]圖4為單個(gè)二維測(cè)量單元的一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖5為單個(gè)二維測(cè)量單元測(cè)量結(jié)果分析示意圖；
[0027]圖6為單個(gè)二維測(cè)量單元幾何關(guān)系圖；
[0028]圖7為單個(gè)二維測(cè)量單元標(biāo)定示意圖；
[0029]圖8來(lái)流空間測(cè)量原理圖；
[0030]圖9為陣列實(shí)施測(cè)量的坐標(biāo)示意圖；
[0031]圖10為單個(gè)二維測(cè)量單元的第二種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)圖。
[0032]圖11為單個(gè)二維測(cè)量單元的第二種【具體實(shí)施方式】的測(cè)量原理圖。
[0033]圖12(a)為單個(gè)二維測(cè)量單元的第二種【具體實(shí)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(gè)二維測(cè)量單元的第三種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)圖。
[0035]圖14為單個(gè)二維測(cè)量單元的第三種【具體實(shí)施方式】的測(cè)量原理圖。
[0036]圖15a為單個(gè)二維測(cè)量單元的第三種【具體實(shí)施方式】的壓電原理圖，圖15b為由X、r、P三個(gè)方向組成的圓柱坐標(biāo)軸示意圖。
[0037]圖中，I至3分別為第一至第三測(cè)量單元，4為三維測(cè)量基座，5為測(cè)桿，6為連接柱，7為彈性阻尼體，8為底座，9為彈性導(dǎo)線(xiàn)，10為二維PSD位置傳感器，11為PSD傳感器承載板，12為信號(hào)線(xiàn)，13為數(shù)據(jù)處理器，14為電路板支座，15為信號(hào)傳輸接口，16為調(diào)速電機(jī)，17為直線(xiàn)導(dǎo)軌，18為拉繩，19為載物臺(tái)，20為水槽，21為水，22為激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)，23為導(dǎo)光管，24為光學(xué)透鏡,25為光學(xué)定位傳感器,26為定位栓,27為光源發(fā)射模塊,28為光學(xué)透鏡固定支座，29為光學(xué)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(dǎo)線(xiàn)，33為下壓電集電極，34為下壓電集電極輸出導(dǎo)線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0039]本發(fā)明實(shí)施例中為測(cè)量三維流動(dòng)信息，如圖1，2所示，采用了第一至第三測(cè)量單元1、2、3組成了空間測(cè)量機(jī)構(gòu)，建立如圖3所示的空間直角坐標(biāo)系，三個(gè)測(cè)量單元沿空間直角坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸安裝，集中安裝在三維測(cè)量基座4上，空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)為三個(gè)測(cè)量單元的中心軸線(xiàn)的交點(diǎn)，三維測(cè)量基座4為正方體結(jié)構(gòu)，三個(gè)相鄰面分別安裝有一個(gè)二維測(cè)量單元，形成空間陣列，三個(gè)二維測(cè)量單元中心軸線(xiàn)兩兩互相垂直，三維測(cè)量基座4的另外三個(gè)空余的面可供測(cè)量時(shí)支撐機(jī)構(gòu)定位安裝使用。三維測(cè)量基座4內(nèi)安裝有單片機(jī)。每個(gè)二維測(cè)量單元可以測(cè)量與其底座8所在平面相平行的二維流動(dòng)信息，并提供給單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)三個(gè)測(cè)量單元測(cè)量結(jié)果的合成可得到三維的流動(dòng)信息。
[0040](I)實(shí)施例中單個(gè)二維測(cè)量單元測(cè)量流體二維信息的原理為:
[0041]如圖4所示，測(cè)桿5固定在連接柱6上，測(cè)桿5可由硬度超過(guò)邵氏A75的樹(shù)脂、高硬度聚氨酯等韌性材料做成，可以對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的沖擊做出反應(yīng)，帶動(dòng)與測(cè)桿5固定連接的連接柱6實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。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(cè)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(guò)彈性阻尼體7深入到底座8的內(nèi)部空間，連接柱6將流體對(duì)測(cè)桿5的沖擊作用轉(zhuǎn)換為自身的同步運(yùn)動(dòng)。實(shí)施例中的彈性阻尼體7采用了中心軸對(duì)稱(chēng)幾何結(jié)構(gòu)，以使得彈性阻尼體7在受到大小相同的軸向作用力時(shí)產(chǎn)生的阻尼作用各個(gè)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(shí)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(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)測(cè)桿5受到一定流速流體的作用效果。在底座8外殼頂端預(yù)留有相應(yīng)的槽口，可完成對(duì)彈性阻尼體7的固定，并完成對(duì)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(cè)桿5的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，且以彈性阻尼體7的中心軸線(xiàn)為軸具有各向同性，即對(duì)來(lái)自各個(gè)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(yùn)動(dòng)消失或流速下降時(shí)，在彈性阻尼體7的粘彈性及回彈性作用下實(shí)現(xiàn)位置的恢復(fù)，可準(zhǔn)確及時(shí)反映流體流速及流向的變化，彈性阻尼體7表現(xiàn)出的阻尼作用與流體沖擊方向相反，構(gòu)成以彈性阻尼體7的中心為支點(diǎn)的彈性杠桿機(jī)構(gòu)，從而連接柱6的運(yùn)動(dòng)方向與流體運(yùn)動(dòng)方向相同。在底座8內(nèi)部，連接柱6內(nèi)固定安裝有激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)22，激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)22主要包括激光光源和準(zhǔn)直系統(tǒng)，光源可采用激光二極管等微小光源，以光束直徑不超過(guò)Imm的激光打在二維PSD位置傳感器10上，光束的運(yùn)動(dòng)在二維PSD位置傳感器10上不斷記錄下來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理器13處理后得到激光光束中心的運(yùn)動(dòng)路徑及方向，進(jìn)一步可得到激光光束的偏轉(zhuǎn)角度，二維PSD位置傳感器10固定在PSD傳感器承載板11上，數(shù)據(jù)處理器13通過(guò)電路板支座14固定在底座8內(nèi)，由信號(hào)傳輸接口15引來(lái)的電源線(xiàn)轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)處理器13，再通過(guò)彈性導(dǎo)線(xiàn)9為連接柱6內(nèi)的激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)供電，測(cè)量信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器13處理后，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接口 15傳出到三維測(cè)量基座4內(nèi)，用于最后的測(cè)量結(jié)果處理。通過(guò)建立激光光束偏轉(zhuǎn)角度與流體運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，可以進(jìn)一步得到流體的二維流動(dòng)速度和方向。
[0042]測(cè)桿5在流體的沖擊作用下產(chǎn)生偏移運(yùn)動(dòng)，彈性阻尼體7約束測(cè)桿5的運(yùn)動(dòng)，使得二維測(cè)量單元可簡(jiǎn)化為彈簧-慣量-阻尼模型，其中，Θ為流速為V的流體沖擊測(cè)桿5使其偏轉(zhuǎn)的角度，F(xiàn)為流體的沖擊力，又稱(chēng)拖曳力，L1為從測(cè)桿5頂端到彈性阻尼體7中心的長(zhǎng)度，L2為從彈性阻尼體7的中心到達(dá)連接柱底端的長(zhǎng)度，C1, C2分別為彈性阻尼體7簡(jiǎn)化模型中扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)和拉伸阻尼系數(shù)，k1、k2分別為彈性阻尼體7簡(jiǎn)化模型中扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和拉伸剛度系數(shù)，J為測(cè)桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0043]該模型的二階傳遞函數(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，該裝置包括單片機(jī)和三個(gè)二維測(cè)量單元，各二維測(cè)量單元均安裝在三維測(cè)量基座上，三個(gè)二維測(cè)量單元中心軸線(xiàn)兩兩互相垂直，每個(gè)二維測(cè)量單元用于流體一個(gè)平面的二維流動(dòng)信息；單片機(jī)利用各二維流動(dòng)信息合成得到二維流動(dòng)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，所述二維測(cè)量單元均包括測(cè)桿、連接柱、彈性阻尼體、二維PSD位置傳感器、激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理器； 所述底座為空腔結(jié)構(gòu)，彈性阻尼體采用中心軸對(duì)稱(chēng)幾何結(jié)構(gòu)，以使得彈性阻尼體在各個(gè)方向產(chǎn)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(cè)桿固定連接，使測(cè)桿和連接柱能夠同步運(yùn)動(dòng)，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(cè)桿一同運(yùn)動(dòng)，連接柱下端穿過(guò)彈性阻尼體伸入到底座的內(nèi)部空間，連接柱用于將流體對(duì)測(cè)桿的沖擊作用轉(zhuǎn)換為自身的同步運(yùn)動(dòng)； 所述連接柱的底部?jī)?nèi)固定安裝有所述激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)，其發(fā)射光路上安裝有二維PSD位置傳感器，數(shù)據(jù)處理器與二維PSD位置傳感器電信號(hào)連接，數(shù)據(jù)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(biāo)信息，計(jì)算得到流體二維流速和流向，并提供給所述單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，所述二維測(cè)量單元包括測(cè)桿、連接件、彈性阻尼體、底座、導(dǎo)光管、光學(xué)透鏡、光學(xué)定位傳感器、光源發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)處理器； 所述測(cè)桿為中心軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，呈柱狀；所述底座為空心結(jié)構(gòu)，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(cè)桿內(nèi)部，另一端穿過(guò)彈性阻尼體中心位置并位于底座內(nèi)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(fā)射模塊，導(dǎo)光管用于將光源發(fā)射模塊發(fā)出的散射光導(dǎo)出，其中心軸線(xiàn)與測(cè)桿的中心軸線(xiàn)重合，且與測(cè)桿保持同步運(yùn)動(dòng)，且與彈性阻尼體的中心方向相反，光源發(fā)射模塊下方依次布置有光學(xué)透鏡和光學(xué)定位傳感器，光學(xué)透鏡與光學(xué)定位傳感器及靜止位置的測(cè)桿共軸線(xiàn)；由光源發(fā)射模塊發(fā)出的散射光經(jīng)導(dǎo)光管導(dǎo)出，并通過(guò)光學(xué)透鏡聚光后投射至光學(xué)定位傳感器上，在光學(xué)定位傳感器上生成一個(gè)亮度均勻并集中的光斑； 所述數(shù)據(jù)處理器與光學(xué)定位傳感器電信號(hào)連接，用于接收光學(xué)定位傳感器提供的光斑中心的坐標(biāo)信息，即得到當(dāng)前測(cè)桿偏離靜止位置的角度，計(jì)算得到流體的流速和流向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，所述二維測(cè)量單元包括測(cè)桿，壓電纖維束激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，數(shù)據(jù)處理器； 所述彈性阻尼體安裝在底座上，測(cè)桿安裝在彈性阻尼體上，測(cè)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(cè)桿的上部，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(gè)壓電集電極極性相反以形成電壓差； 所述激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝在測(cè)桿的下部，激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)下端穿過(guò)彈性阻尼體進(jìn)入到底座內(nèi)部，激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)用于發(fā)射準(zhǔn)直的激光光線(xiàn)； 所述底座空腔內(nèi)固定安裝有依次電信號(hào)連接的二維PSD位移傳感器數(shù)據(jù)處理器； 所述底座的底面中心安裝有防水信號(hào)線(xiàn)轉(zhuǎn)接口 ；防水信號(hào)線(xiàn)轉(zhuǎn)接口用于傳輸數(shù)據(jù)，還用于為數(shù)據(jù)處理器、激光發(fā)射準(zhǔn)直系統(tǒng)板提供電源； 所述數(shù)據(jù)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(hào)，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)直系統(tǒng)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(hào)提供給數(shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器獲得二維PSD位移傳感器的測(cè)量信號(hào)，計(jì)算得到激光束光斑中心的坐標(biāo)值，以得到流體的流向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，各所述數(shù)據(jù)處理器利用式I或式II計(jì)算流體流速分量V:
kp k2分別為彈性阻尼體的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和拉伸剛度系數(shù)，L2為從彈性阻尼體的中心到達(dá)連接柱底端的長(zhǎng)度，Θ為測(cè)桿偏轉(zhuǎn)的角度，P為流體密度，A為流體在測(cè)桿上的作用面積，C為測(cè)桿拖拽力系數(shù)； m, a為裝置的標(biāo)定系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，設(shè)X軸、y軸、Z軸布置的二維測(cè)量單元所測(cè)量得到的流速分量分別為Vx、vy, Vz,速度Vtest為:
設(shè)速度矢量Vtest在三坐標(biāo)軸上的投影坐標(biāo)為(a，b, c)，三組測(cè)量平面的坐標(biāo)值分別為(Α,y/,ζ/), (χ；, Δ,ζ；), (x3’，y3’，Δ), Δ為每個(gè)測(cè)量平面距離空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離；按下述方式判斷(a，b，c)的取值符號(hào):
7.根據(jù)權(quán)利要求6測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，若其中出現(xiàn)兩兩的乘積x2’x3’ <0*y/y3’ < O或z2’z/ < O,表明來(lái)流沖擊方向已經(jīng)導(dǎo)致二維測(cè)量單元的測(cè)桿發(fā)生了振顫，可能導(dǎo)致測(cè)桿損壞或失效，或來(lái)流超出測(cè)量范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，所述測(cè)桿的結(jié)構(gòu)為仿海豹的觸須或者其它任一能夠防止卡門(mén)渦街產(chǎn)生的波浪狀結(jié)構(gòu)；所述三維測(cè)量基座安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，以得到需要的測(cè)量方位。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，所述測(cè)桿采用硬度超過(guò)邵氏A75的韌性材料，如樹(shù)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(jù)權(quán)利要求2至4中任一所述的測(cè)量流體三維流動(dòng)信息的裝置，其特征在于，所述單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)所述二維測(cè)量單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成各數(shù)據(jù)處理器的任務(wù)，替代各二維測(cè)量單元內(nèi)的數(shù)據(jù)處理器。
【文檔編號(hào)】G01P13/02GK104198759SQ201410430580
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:華中科技大學(xué)
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