一種適用于渾濁流體的流速流向監(jiān)測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種渾濁流體監(jiān)測(cè)裝置，裝置包括觸桿、連接件、彈性阻尼體、基座、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；光學(xué)透鏡與光學(xué)定位傳感器及靜止位置的觸桿共軸線；由光源發(fā)射模塊發(fā)出的散射光經(jīng)導(dǎo)光管導(dǎo)出，并通過光學(xué)透鏡聚光后投射至光學(xué)定位傳感器上；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)前觸桿偏離靜止位置的角度，計(jì)算得到流體的流速和流向。本發(fā)明制造成本低、能效小、可批量安裝使用、能夠在渾濁水體等惡劣環(huán)境下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體信息。
【專利說明】一種適用于渾濁流體的流速流向監(jiān)測(cè)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體測(cè)量技術(shù)，涉及了一種適用于渾濁流體的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，具體地說，提出了一種阻尼桿式的流速流向測(cè)量裝置，可用于渾濁流體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002]在流體測(cè)量領(lǐng)域，目前的測(cè)量技術(shù)與方法主要有超聲波多普勒技術(shù)、激光技術(shù)、熱線熱膜測(cè)速技術(shù)等先進(jìn)的流體測(cè)量手段，但這些技術(shù)及設(shè)備有的價(jià)格昂貴，有的不便使用，不能作為機(jī)載設(shè)備安裝在空間受限的航行器上，隨著人類在近海、湖泊等淺水水下活動(dòng)的不斷深入，對(duì)于淺水水流信息的獲取變得越來越重要，這些區(qū)域的流體渾濁度較大，限制了一些測(cè)量設(shè)備的使用，急需一種價(jià)格低廉、低能耗、可大量安裝使用的測(cè)量設(shè)備，可安裝在如水下機(jī)器人、海洋平臺(tái)水下部分等設(shè)施用于實(shí)時(shí)感知流體信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供的一種渾濁流體監(jiān)測(cè)裝置，目的在于為解決現(xiàn)有流體測(cè)量傳感器的缺陷，特別是提供一種制造成本低、能效小、可批量安裝使用、可在渾濁水體等惡劣環(huán)境下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體信息。
[0004]本發(fā)明提供的一種渾濁流體監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括觸桿、連接件、彈性阻尼體、基座、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；
[0005]所述觸桿為中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，呈柱狀；所述基座為空心結(jié)構(gòu)，其上蓋板上固定安裝有彈性阻尼體；
[0006]所述連接件的一端包裹在觸桿內(nèi)部，另一端穿過彈性阻尼體中心位置并位于基座內(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，其中心軸線與觸桿的中心軸線重合，且與觸桿保持同步運(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觸桿共軸線；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；
[0007]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)前觸桿偏離靜止位置的角度，計(jì)算得到流體的流速和流向。
[0008]本發(fā)明裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單點(diǎn)的流體信息，將監(jiān)測(cè)裝置按陣列分布，可以根據(jù)測(cè)量環(huán)境的需要，形成完整的測(cè)量曲面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的流體流場(chǎng)變化情況。
[0009]本發(fā)明裝置將流體運(yùn)動(dòng)通過形狀可恢復(fù)的帶阻尼的杠桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為光源的同步運(yùn)動(dòng)，采用光電成像定位技術(shù)一次性同時(shí)測(cè)量流體的流速及流向信息，不需要矢量運(yùn)算，不需要同時(shí)使用多個(gè)間接傳感器，可廣泛用于空中及水下流體信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本發(fā)明可測(cè)量流經(jīng)與測(cè)量裝置底部平面平行的流體的二維信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明提供的渾濁流體監(jiān)測(cè)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2為彈簧-慣量-阻尼簡(jiǎn)化模型示意圖；
[0012]圖3為靜水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；
[0013]圖4為成像結(jié)果分析原理圖；
[0014]圖5為光學(xué)定位傳感器得到的光斑圖，(a)為光斑圖，(b)為光斑中心定位圖
[0015]圖6為成像平面矢量坐標(biāo)圖；
[0016]圖中，I為觸桿，2為連接件,3為彈性阻尼體,4為基座,5為導(dǎo)光管,6為光學(xué)透鏡，7為光學(xué)定位傳感器，8為定位栓，9為光源發(fā)射模塊，10為數(shù)據(jù)處理器，11為彈性導(dǎo)線，12為光學(xué)透鏡固定支座，13為光學(xué)定位傳感器固定支座；14為調(diào)速電機(jī),15為直線導(dǎo)軌,16為拉繩，17為載物臺(tái)，18為水槽，19為水。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說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。
[0018]本發(fā)明裝置中，流體對(duì)觸桿I的沖擊作用產(chǎn)生偏移運(yùn)動(dòng)，彈性阻尼體3約束流體的沖擊，使得如圖1所示的結(jié)構(gòu)模型可簡(jiǎn)化為圖2所示的彈簧-慣量-阻尼模型，其中，Θ為流速V的流體沖擊觸桿I使其偏轉(zhuǎn)的角度(即偏離靜止位置的角度)，F(xiàn)為流體的沖擊力，又稱拖曳力，L1為從觸桿I頂端到彈性阻尼體3中心的長(zhǎng)度，L2為從彈性阻尼體3的中心到達(dá)連接件2底端的長(zhǎng)度，C1^C2分別為彈性阻尼體3簡(jiǎn)化模型中扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)和拉伸阻尼系數(shù)，kp k2分別為彈性阻尼體3簡(jiǎn)化模型中扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和拉伸剛度系數(shù)，J為觸桿I的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0019]該模型的二階傳遞函數(shù)為:

【權(quán)利要求】
1.一種流體的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括觸桿、連接件、彈性阻尼體、基座、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； 所述觸桿為中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，呈柱狀；所述基座為空心結(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觸桿內(nèi)部，另一端穿過彈性阻尼體中心位置并位于基座內(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，其中心軸線與觸桿的中心軸線重合，且與觸桿保持同步運(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觸桿共軸線；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； 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)前觸桿偏離靜止位置的角度，計(jì)算得到流體的流速和流向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，數(shù)據(jù)處理器利用式I計(jì)算流速V:
I^n2為彈性阻尼體所用 材料的固定的邊界條件系數(shù)，E為彈性阻尼體所用材料的彈性模量，D為彈性阻尼體的截面圓的直徑，h為彈性阻尼體的厚度，μ為彈性阻尼體所用材料的泊松比，L1為從觸桿頂端到彈性阻尼體中心的長(zhǎng)度，L2為從彈性阻尼體的中心到達(dá)連接件底端的長(zhǎng)度，Θ為觸桿偏轉(zhuǎn)的角度，P為流體密度，C為觸桿拖拽力系數(shù)，r為觸桿的橫截面直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，數(shù)據(jù)處理器利用式II計(jì)算流速V:
V= τηθ + ?, 式 11 其中，m，a為裝置的標(biāo)定系數(shù)，Θ為觸桿偏轉(zhuǎn)的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，靜止位置時(shí)光斑中心在光學(xué)定位傳感器上的位置為(X(l，％)，即坐標(biāo)系原點(diǎn)O的位置，設(shè)光斑中心在光學(xué)定位傳感器上的當(dāng)前坐標(biāo)值為點(diǎn)M的坐標(biāo)(xt，yt)，液體的方向即為矢量ci的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，流速流向即矢量ο--的方向?yàn)楣獍呶恢檬噶肯鄬?duì)指定方向的角度Θ test，根據(jù)式III計(jì)算:
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述觸桿采用硬度超過邵氏D65、彈性模量超過40Mpa的聚氨酯或韌性塑料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，彈性阻尼體采用硬度在邵氏A40到60之間，彈性模量超過3MPa的硅膠或聚氨酯等彈性材料，連接件采用硬度超過邵氏D70的合成塑料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述彈性阻尼體為圓柱狀薄片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，導(dǎo)光管采用包括鈦毛細(xì)管在內(nèi)的準(zhǔn)直不變形的高硬度材料制作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的流速流向監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，多個(gè)所述監(jiān)測(cè)裝置按陣列布置，用于形成完整的測(cè)量曲面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的流體流場(chǎng)變化情況。
【文檔編號(hào)】G01P13/02GK104166012SQ201410431536
【公開日】2014年11月26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)