一種單活塞光纖流量傳感器探頭及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單活塞光纖流量傳感器探頭及其檢測方法，傳感器探頭包括活塞缸和設(shè)置于活塞缸一側(cè)的檢測箱，活塞缸的兩端分別由端蓋封閉，活塞缸內(nèi)滑動(dòng)設(shè)置有活塞，活塞與端蓋之間均設(shè)置彈簧和活塞桿，端蓋上均開設(shè)有檢測通孔，活塞桿一端固定于活塞上，另一端滑動(dòng)設(shè)置于檢測通孔內(nèi)，且活塞桿的端部固定有反光部件，檢測通孔的另一端還設(shè)置有光纖檢測端，檢測箱與活塞兩側(cè)的腔室分別通過一個(gè)流體通路相連通，流體通路和氣源分別設(shè)置于流體在檢測箱內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)。以解決現(xiàn)有流量傳感器探頭多采用傳統(tǒng)的動(dòng)力測量方式，擁有測量精度不高、耗能大等局限，在很多場合不能很好地勝任的問題。本發(fā)明屬于流量檢測領(lǐng)域。
【專利說明】
一種單活塞光纖流量傳感器探頭及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種流量傳感器探頭，屬于流量傳感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，常常要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn) 過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。傳感器 也早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工 程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。本發(fā)明是眾多類別的傳感器之一一一流量傳感器。 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)多種多樣的流量傳感器，最常用的有葉片式、渦街 式、卡門渦旋式、熱線式等。但是，諸如葉片式、渦街式、卡門渦旋式、熱線式等傳感器，原理 多采用傳統(tǒng)的動(dòng)力測量方式，擁有測量精度不高、耗能大等局限，在很多場合不能很好地勝 任。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于:提供一種單活塞光纖流量傳感器探頭及其檢測方法，以解決 現(xiàn)有流量傳感器多采用傳統(tǒng)的動(dòng)力測量方式，擁有測量精度不高、耗能大等局限，在很多場 合不能很好地勝任的問題。
[0004] 本發(fā)明的方案如下：一種單活塞光纖流量傳感器探頭，包括活塞缸和設(shè)置于活塞 缸一側(cè)的檢測箱，活塞缸的兩端分別由端蓋封閉，活塞缸內(nèi)滑動(dòng)設(shè)置有活塞，活塞與兩端的 端蓋之間均設(shè)置彈簧和活塞桿，彈簧的一端固定于活塞上，另一端固定于端蓋上，所述兩端 的端蓋上均開設(shè)有檢測通孔，活塞桿的一端固定于活塞上，另一端滑動(dòng)設(shè)置于檢測通孔內(nèi)， 且滑動(dòng)設(shè)置于檢測通孔內(nèi)的活塞桿的端部固定有反光部件，檢測通孔的另一端還設(shè)置有光 纖檢測端，光纖檢測端的光纖束由入射光纖和出射光纖集合鎧裝而成，入射光纖另一端與 光源對接，用以耦合入射光，出射光纖的出射端與光敏元件連接，輸出光強(qiáng)度信號(hào)，通過出 射光纖所接收信號(hào)的強(qiáng)弱即可判斷反光部件與光纖檢測端之間的距離，從而推算活塞的滑 動(dòng)距離，即可進(jìn)一步推算出進(jìn)入活塞兩側(cè)的流體的壓差；
[0005] 檢測箱上具有流體入口和流體出口以使流體流經(jīng)檢測箱的內(nèi)部，檢測箱與活塞缸 中活塞兩側(cè)的腔室分別通過一個(gè)流體通路相連通，還包括氣源，氣源的供氣方向指向兩個(gè) 流體通路的中間位置，且流體通路和氣源分別設(shè)置于流體在檢測箱內(nèi)部流通路徑的相對兩 偵L如此設(shè)置，當(dāng)檢測箱內(nèi)的流體不流通時(shí)，流入活塞兩側(cè)腔室的流體壓力應(yīng)當(dāng)相同，則活 塞會(huì)處于平衡位置保持不變，而當(dāng)流體流動(dòng)后，流入活塞兩側(cè)腔室的流體壓力是不同的，則 活塞會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，這種壓力變化就會(huì)反映在光纖探頭檢測的光信號(hào)變化上，即通過該傳感 器檢測出流體流量等信息。
[0006] 為了避免彈簧對傳感器的影響，活塞兩側(cè)的彈簧對稱設(shè)置，且活塞兩側(cè)的彈簧的 結(jié)構(gòu)及規(guī)格均完全相同，活塞位于兩端端蓋的正中央位置時(shí)，活塞兩側(cè)的彈簧均處于自然 狀態(tài)，即彈簧無拉伸與壓縮形變；
[0007] 為保證光纖探頭的傳感效果，保證兩端光纖檢測端與反光部件之間的距離平衡， 兩個(gè)檢測通孔均開設(shè)在所在端蓋的正中心位置，兩個(gè)檢測通孔、活塞及兩個(gè)活塞桿均同軸 設(shè)置，反光部件與光纖檢測端垂直設(shè)置，反光部件為反光鏡或反光片，活塞與活塞缸的內(nèi)壁 之間為滑動(dòng)密封式結(jié)構(gòu)，以防止活塞兩側(cè)的流體互相滲入，活塞桿與檢測通孔之間也為滑 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，例如，活塞桿的外側(cè)設(shè)置有密封圈，通過密封圈實(shí)現(xiàn)與檢測通孔內(nèi)壁之間的密 封，防止流體流入反光部件與光纖檢測端之間；
[0008] 作為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述光纖檢測端的一端通過螺紋旋緊固定于檢測通孔內(nèi)，以保 證光纖探頭定位的牢固和精確，端蓋為橡膠塞，保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下結(jié)構(gòu)更為簡化；
[0009] 為保證活塞的密封效果，防止流體經(jīng)活塞邊緣流入彈簧所在腔室，活塞與活塞缸 的內(nèi)壁之間設(shè)置有活塞密封圈；
[0010] 為保證傳感器的使用壽命和使用效果，活塞的材質(zhì)優(yōu)選硬質(zhì)合金；
[0011]為防止流體內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)入傳感器探頭，所述流體通路上均設(shè)置有濾網(wǎng)。
[0012] -種單活塞光纖流量檢測方法，包括：
[0013] 光纖壓差傳感器探頭和具有流體流通通路的檢測箱；
[0014] 光纖壓差傳感器探頭包括有筒形的活塞缸，活塞缸內(nèi)具有兩個(gè)由滑動(dòng)設(shè)置于活塞 缸內(nèi)的活塞分隔開的流體檢測腔，兩個(gè)流體檢測腔分別與檢測箱相連通；
[0015] 檢測箱與兩個(gè)流體檢測腔分別通過兩個(gè)流體通路相連通，檢測箱處還對應(yīng)設(shè)置有 朝向兩個(gè)流體通路的中間位置噴氣的氣源，且流體通路和氣源分別設(shè)置于檢測箱內(nèi)的流體 流通通路的相對兩側(cè)，若檢測箱內(nèi)無被測流體流動(dòng)，則兩個(gè)流體檢測腔內(nèi)的壓力是相同的， 光纖壓差傳感器探頭檢測到兩腔室壓差為零;若檢測箱內(nèi)有被測流體流動(dòng)，啟動(dòng)氣源吹氣 形成氣流，則被測流體與氣流在檢測箱內(nèi)發(fā)生相互作用，使得被測流體和氣流的初始動(dòng)量 發(fā)生改變，混合流體在檢測箱內(nèi)發(fā)生偏移，以致進(jìn)入活塞缸的混合流體在活塞的兩側(cè)形成 壓強(qiáng)差，活塞在兩個(gè)流體檢測腔壓差的作用下，向低壓一側(cè)滑移，并通過光纖壓差傳感器探 頭檢測壓差，建立動(dòng)量壓差數(shù)學(xué)模型，推算得出流體動(dòng)量。
[0016] 所述動(dòng)量壓差數(shù)學(xué)模型如下:分析傳動(dòng)量與壓差之間的關(guān)系，設(shè)氣流的速度為Vs， 被測流體的速度為V，其中1是由氣源發(fā)射出來的氣流速度，為已知量，活塞兩端壓強(qiáng)差與 兩個(gè)流體的動(dòng)量M s/M有關(guān)，其中M為被測流體動(dòng)量，Ms為氣流動(dòng)量，分別與0與V2成正比；
[0017] M = kV2；
[0021] 其中，1^為已知量，從而在已知A P后即可求得V的值，在試驗(yàn)中，我們?nèi)s等于5m/ s，取匕=2，V變化由lm/s到2m/s，其曲線如圖3所述。
[0022 ]氣源的吹氣方向與檢測箱內(nèi)流體流通方向相垂直。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)如下：經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論研究與實(shí)驗(yàn)分析可 知，該傳感器探頭具有較小的結(jié)構(gòu)、較高的精確度與可靠性、較好的適應(yīng)性與互換性等，該 傳感器探頭能適用于眾多流體流量檢測場合，將光電傳感原理應(yīng)用于流量檢測領(lǐng)域，輸出 信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理計(jì)算后輸出值將成倍變化，從而提高了檢測靈敏度，具有十分 重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對新型流量傳感器探頭的設(shè)計(jì)與推廣起到了極大的推動(dòng)作用。
[0024] 同時(shí)，該差壓傳感器探頭采用活塞式結(jié)構(gòu)作為壓力探測器件，在兩側(cè)流體具有壓 力差時(shí)，活塞是平移運(yùn)動(dòng)，僅需根據(jù)活塞的平移量即可計(jì)算出流體壓力差，對于光纖傳感的 要求更低，計(jì)算和測量更為簡單，且活塞結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不易受外界干擾，不易損壞，使用壽 命更為長久，使得傳感器探頭的可靠性、適應(yīng)性及互換性都有了較大進(jìn)步，適宜用作流體流 量的測量;傳感器探頭的強(qiáng)度補(bǔ)償原理更為簡單，實(shí)用性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0025] 圖1是該傳感器探頭結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0026] 圖2是檢測原理圖；
[0027] 圖3是流體動(dòng)量與活塞兩邊壓強(qiáng)差的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一 步地詳細(xì)描述，
[0029] 實(shí)施例：
[0030] 參照圖1至圖3,本實(shí)施例提供一種單活塞光纖流量傳感器探頭，包括活塞缸1和設(shè) 置于活塞缸1 一側(cè)的檢測箱2,活塞缸1的兩端分別由端蓋3封閉，活塞缸1內(nèi)滑動(dòng)設(shè)置有活塞 4,活塞4與活塞缸1的內(nèi)壁之間設(shè)置有活塞密封圈41，活塞4與兩端的端蓋3之間均設(shè)置彈簧 5和活塞桿6,彈簧5的一端固定于活塞4上，另一端固定于端蓋3上，活塞4兩側(cè)的彈簧5對稱 設(shè)置，且活塞4兩側(cè)的彈簧5的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均完全相同，活塞4位于兩端端蓋3的正中央位置 時(shí)，活塞4兩側(cè)的彈簧5均處于自然狀態(tài)，即彈簧無拉伸與壓縮形變，所述兩端的端蓋3的正 中心位置處均開設(shè)有檢測通孔7,活塞桿6的一端固定于活塞4上，另一端滑動(dòng)設(shè)置于檢測通 孔7內(nèi)，活塞桿6的外側(cè)設(shè)置有密封圈，通過密封圈實(shí)現(xiàn)與檢測通孔7內(nèi)壁之間的密封，且滑 動(dòng)設(shè)置于檢測通孔7內(nèi)的活塞桿6的端部固定有反光部件8，兩個(gè)檢測通孔7、活塞4及兩個(gè)活 塞桿6均同軸設(shè)置，反光部件8與光纖檢測端9垂直設(shè)置，反光部件8為反光鏡或反光片，檢測 通孔7的另一端還設(shè)置有光纖檢測端9,光纖檢測端9的一端通過螺紋旋緊固定于檢測通孔7 內(nèi)，光纖檢測端9的光纖束由入射光纖91和出射光纖92集合鎧裝而成，入射光纖91另一端與 光源對接，用以耦合入射光，出射光纖92的出射端與光敏元件連接，輸出光強(qiáng)度信號(hào)，通過 出射光纖92所接收信號(hào)的強(qiáng)弱即可判斷反光部件8與光纖檢測端9之間的距離，從而推算活 塞4的滑動(dòng)距離，即可進(jìn)一步推算出進(jìn)入活塞4兩側(cè)的流體的壓差；
[0031] 檢測箱2上具有流體入口 21和流體出口 22以使流體流經(jīng)檢測箱2的內(nèi)部，檢測箱2 與活塞缸1中活塞4兩側(cè)的腔室分別通過一個(gè)流體通路10相連通，流體通路10上均設(shè)置有濾 網(wǎng)12,還包括氣源11，氣源11的供氣方向指向兩個(gè)流體通路10的中間位置，且流體通路10和 氣源11分別設(shè)置于流體在檢測箱2內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)，如此設(shè)置，當(dāng)檢測箱2內(nèi)的流 體不流通時(shí)，流入活塞4兩側(cè)腔室的流體壓力應(yīng)當(dāng)相同，則活塞4會(huì)處于平衡位置保持不變， 而當(dāng)流體流動(dòng)后，流入活塞4兩側(cè)腔室的流體壓力是不同的，則活塞4會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，這種壓力 變化就會(huì)反映在光纖探頭檢測的光信號(hào)變化上，即通過該傳感器檢測出流體流量等信息。
[0032] -種單活塞光纖傳感檢測流量的方法：
[0033] 活塞缸1內(nèi)具有兩個(gè)由滑動(dòng)設(shè)置于活塞缸1內(nèi)的活塞4分隔開的流體檢測腔，若檢 測箱2內(nèi)無被測流體流動(dòng)，則兩個(gè)流體檢測腔內(nèi)的壓力是相同的，光纖壓差傳感器探頭檢測 到兩腔室壓差為零;若檢測箱2內(nèi)有被測流體流動(dòng)，啟動(dòng)氣源11吹氣形成氣流，則被測流體 與氣流在檢測箱2內(nèi)發(fā)生相互作用，使得被測流體和氣流的初始動(dòng)量發(fā)生改變，混合流體在 檢測箱2內(nèi)發(fā)生偏移，以致進(jìn)入活塞缸1的混合流體在活塞4的兩側(cè)形成壓強(qiáng)差，活塞4在兩 個(gè)流體檢測腔壓差的作用下，向低壓一側(cè)滑移，并通過光纖壓差傳感器探頭檢測壓差，建立 動(dòng)量壓差數(shù)學(xué)模型，推算得出流體動(dòng)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種單活塞光纖流量傳感器探頭，其特征在于：包括活塞缸（1)和設(shè)置于活塞缸（1) 一側(cè)的檢測箱（2)，活塞缸（1)的兩端分別由端蓋（3)封閉，活塞缸（1)內(nèi)滑動(dòng)設(shè)置有活塞 (4)，活塞(4)與兩端的端蓋(3)之間均設(shè)置彈簧(5)和活塞桿(6)，彈簧(5)的一端固定于活 塞(4)上，另一端固定于端蓋（3)上，所述兩端的端蓋（3)上均開設(shè)有檢測通孔（7)，活塞桿 (6) 的一端固定于活塞(4)上，另一端滑動(dòng)設(shè)置于檢測通孔(7)內(nèi)，且滑動(dòng)設(shè)置于檢測通孔 (7) 內(nèi)的活塞桿(6)的端部固定有反光部件(8)，檢測通孔(7)的另一端還設(shè)置有光纖檢測端 (9)，光纖檢測端(9)的光纖束由入射光纖(91)和出射光纖(92)集合銷裝而成； 檢測箱(2)上具有流體入口（21)和流體出口（ 22)以使流體流經(jīng)檢測箱(2)的內(nèi)部，檢測 箱（2)與活塞缸（1)中活塞(4)兩側(cè)的腔室分別通過一個(gè)流體通路（10)相連通，還包括氣源 (11)，氣源（11)的供氣方向指向兩個(gè)流體通路（10)的中間位置，且流體通路（10)和氣源 (11)分別設(shè)置于流體在檢測箱(2)內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單活塞光纖流量傳感器探頭，其特征在于:活塞(4)兩側(cè)的 彈簧(5)對稱設(shè)置，且活塞(4)兩側(cè)的彈簧(5)的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均完全相同，活塞(4)位于兩端 端蓋(3)的正中央位置時(shí)，活塞(4)兩側(cè)的彈簧(5)均處于自然狀態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種單活塞光纖流量傳感器探頭，其特征在于：兩個(gè)檢測通孔 (7)均開設(shè)在所在端蓋(3)的正中心位置，兩個(gè)檢測通孔(7)、活塞(4)及兩個(gè)活塞桿(6)均同 軸設(shè)置，反光部件(8)與光纖檢測端(9)垂直設(shè)置，反光部件(8)為反光鏡或反光片，活塞(4) 與活塞缸（1)的內(nèi)壁之間為滑動(dòng)密封式結(jié)構(gòu)，活塞桿(6)與檢測通孔(7)之間也為滑動(dòng)密封 結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單活塞光纖流量傳感器探頭，其特征在于:所述光纖檢測端 (9) 的一端通過螺紋旋緊固定于檢測通孔(7)內(nèi)，端蓋(3)為橡膠塞。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單活塞光纖流量傳感器探頭，其特征在于:活塞(4)與活塞 缸(1)的內(nèi)壁之間設(shè)置有活塞密封圈(41)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單活塞光纖流量傳感器探頭，其特征在于：所述流體通路 (10) 上均設(shè)置有濾網(wǎng)（12)。7. -種單活塞光纖傳感器探頭流量檢測方法，其特征在于： 包括光纖壓差傳感器探頭和具有流體流通通路的檢測箱(2); 光纖壓差傳感器探頭包括有筒形的活塞缸（1)，活塞缸（1)內(nèi)具有兩個(gè)由滑動(dòng)設(shè)置于活 塞缸(1)內(nèi)的活塞(4)分隔開的流體檢測腔，兩個(gè)流體檢測腔分別與檢測箱(2)相連通； 檢測箱(2)與兩個(gè)流體檢測腔分別通過兩個(gè)流體通路（10)相連通，檢測箱(2)處還對應(yīng) 設(shè)置有朝向兩個(gè)流體通路(10)的中間位置噴氣的氣源（11)，且流體通路（10)和氣源（11)分 別設(shè)置于檢測箱(2)內(nèi)的流體流通通路的相對兩側(cè)，若檢測箱(2)內(nèi)有被測流體流動(dòng)，啟動(dòng) 氣源（11)吹氣形成氣流，則被測流體與氣流在檢測箱(2)內(nèi)發(fā)生相互作用，使得被測流體和 氣流的初始動(dòng)量發(fā)生改變，混合流體在檢測箱(2)內(nèi)發(fā)生偏移，以致進(jìn)入活塞缸（1)的混合 流體在活塞(4)的兩側(cè)形成壓強(qiáng)差，活塞(4)在兩個(gè)流體檢測腔壓差的作用下，向低壓一側(cè) 滑移，并通過光纖壓差傳感器探頭檢測壓差，建立動(dòng)量壓差數(shù)學(xué)模型，推算得出流體動(dòng)量。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述流量檢測方法，其特征在于:所述動(dòng)量壓差數(shù)學(xué)模型如下：分析 傳動(dòng)量與壓差之間的關(guān)系，設(shè)氣流的速度為V s，被測流體的速度為V，其中1是由氣源（11)發(fā) 射出來的氣流速度，為已知量，活塞兩端壓強(qiáng)差與兩個(gè)流體的動(dòng)量M s/M有關(guān)，其中M為被測 流體動(dòng)量，ms為氣流動(dòng)量，分別與與v2成正比； M=kV2；其中，匕為已知量，從而在已知A P后即可求得V的值。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述流量檢測方法，其特征在于:氣源（11)的吹氣方向與檢測箱（2) 內(nèi)流體流通方向相垂直。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK106052781SQ201610367241
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】胡浩, 鐘麗瓊, 趙麗梅
【申請人】貴州大學(xué)