[實用新型]一種壓電與光電復合的流體流速流向測量裝置

有效

• 申請號: 201420491549.0
• 申請日: 2014-08-28
• 公開（公告）號: CN204129066U
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 陳學東;朱連利
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08;G01P13/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本實用新型屬于流體測量技術，涉及了一種測量流體流速流向的裝置，具體地說，提出了一種采用壓電技術和光電技術相結合的流速流向測量裝置。

背景技術

目前的流速測量領域，一般采用螺旋槳等旋轉機構，流體流過時，推動螺旋槳等旋轉機構轉動，把旋轉機構轉動的速度換算后得到流體流速。這種測量方式，對于流體速度較高、不需要實時精確測量的環境是可行的，但對于需要精確實時測量的環境以及流速微小流體的測量，因其旋轉機構機械傳動的滯后原因造成的誤差較大，往往測量效果不佳，同時，旋轉機械結構導致了這種設備的可靠性及壽命受到影響，長期使用會造成累積誤差，另外，目前的流速儀往往構型較大，造成對流體流動過程的擾動，不利于需要精確保持流體性狀的測量。對于可同時測得流速和流向的設備，目前主要采用超聲波多普勒技術、激光技術等，雖然可以精確測量流體環境數據，但成本較高、造價昂貴，且結構復雜、本體及附屬設備體型較大、不易操作，作為測量平臺在水下運載設備上不易安裝使用，且激光測量技術在渾濁水體不宜使用。

實用新型內容

本實用新型提供一種壓電與光電復合的流體流速流向測量裝置，目的在于為流體監測提供一種方便、有效、簡單和快捷的測量方式。

本實用新型提供的一種流體流速流向測量裝置，其特征在于，該裝置包括利用彈性圓柱體以及安裝在圓柱體內部中心軸線區域的壓電纖維束，將流體的流動轉換為浸入流體中的圓柱體的偏轉運動，以及壓電纖維束隨圓柱體偏轉產生壓電電荷，其兩端產生電壓差，利用圓柱體的偏轉與流體流向的關系，以及壓電纖維束電壓差與流體流速的關系，實現流體的流速和流向的測量。

作為上述技術方案的優選，本實用新型裝置的具體實現結構為：該裝置還包括激光發射準直模塊，彈性阻尼體，底座，二維PSD位移傳感器，PSD承載及信號放大電路板，測量數據處理模塊；

彈性阻尼體安裝在底座上，圓柱體安裝在彈性阻尼體上，圓柱體與彈性阻尼體采用同一種彈性材料一體成型，壓電纖維束位于圓柱體的上部，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；

激光發射準直模塊安裝在圓柱體的下部，激光發射準直模塊下端穿過彈性阻尼體進入到底座內部，激光發射準直模塊用于發射準直的激光光線；

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、PSD承載及信號放大電路板和測量數據處理模塊；

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，還用于為測量數據處理模塊、激光發射準直模塊、PSD承載及信號放大電路板提供電源；

測量數據處理模塊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；

二維PSD位移傳感器用于接收激光發射準直模塊出射的激光束，二維PSD位移傳感器將發生光電反應產生的電信號輸入到PSD承載及信號放大電路板，PSD承載及信號放大電路板將放大后的電信號提供給測量數據處理模塊；測量數據處理模塊獲得PSD承載及信號放大電路板放大后的測量信號，計算得到激光束光斑中心的坐標值，以得到流體的流向。

本實用新型為流體定點監測提供了一種解決方案。本實用新型裝置結構簡單，體型小巧，可以減少對流體的擾動，采用壓電技術測量流體的流速，采用光電定位技術測量流體的流向，可以得到與測量裝置底座平面平行的二維流體信息，實施例中的裝置可以測量從0到10m/s的流速，精度可達0.001m/s，并實現0-360度的流向數據測量，特別適合低速流場信息的精確測量。通過選擇相應的壓電纖維的材料及數量，可以實現更大范圍的流速測量，理論上可以實現0-50m/s流速的測量，測向的范圍均為平面0-360度。該裝置還可以安裝在大型水下運載設備或平臺的外圍，提供其外圍流場信息的監測。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的測量裝置實例結構示意圖；

圖2a為圓柱體的截面圖，圖2b為壓電纖維束的截面圖；

圖3為激光發射準直模塊結構圖；

圖4為裝置在流體沖擊下的形變原理圖；

圖5為測速標定示意圖；

圖6為測向平面光斑運動示意圖；