[發明專利]用于近壁流速測量的光電流速儀及測速方法

在審

• 申請號: 202010628350.8
• 申請日: 2020-07-02
• 公開（公告）號: CN111693730A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 吳锜;宋冉;劉海玲
• 申請（專利權）人: 德州堯鼎光電科技有限公司;山東大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張曉鵬

本發明公開了一種用于近壁流速測量的光電流速儀及測速方法，光電流速儀，包括：激光光源；波導傳感器，需設計發散角較小的波導用于波導傳感器，其進口設置于激光光源的發射口，從進口至出口依次設置波導輸入段、分光段和合束段；光電探測器，設置于波導傳感器的測面。激光光源發出的激光進入波導傳感器后，激光出射到被測流場中，基于相干光干涉原理產生干涉條紋與流場中的運動粒子相互作用產生光的散射，流場中的粒子將光散射回波導傳感陣列上方的光電探測器，光電探測器將光信號轉換為電信號，電信號進入數據處理單元，即可獲得流體的流速。

技術領域

本發明屬于流速測量領域，涉及一種用于近壁流速測量的光電流速儀及測速方法。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

常用的流速測量儀器有機械式流速儀、熱線熱膜流速儀、電磁式流速儀、粒子圖像測速儀、聲學多普勒流速儀、光學多普勒流速儀以及其他光學原理的流速儀等。

機械式的流速測量例如畢托管、微型旋槳流速儀等屬于侵入式測量，破壞流場；電磁式流速儀使用電學方法進行流速測量，出于安全性差的原因，其應用范圍較小；熱線熱膜流速儀屬于侵入式測量，其本身產生的熱量會破壞流場，為測量帶來誤差；粒子圖像測速儀的示蹤粒子會污染環境，無法實現無人原位測量；多普勒激光雷達，體積較大，近距離測量時存在光學測量盲區，不能同時獲得三維速度，且通過掃描方法反演三維速度誤差較大，不可用于小尺度變化流場測量；聲學多普勒技術是目前測水下流速的常用技術，可同時測量三維流速，非侵入式不破壞流場，但也存在尺寸大、有測量盲區等缺點。

中國專利CN106483324A公開的一種流速測量裝置，采用葉片細連桿設計，葉輪在所述被測局部流場的帶動下圍繞所述轉軸轉動，器件置于流場中，屬于侵入式測量，破壞了原有流場；中國專利CN108732377A公開的氣流流速測量計采用金屬框架內多根纖維相互交叉網狀排布的結構，氣流經過時，封嵌的多根纖維會產生相應的變形及振動繼而產生電信號來反映出對應的氣流流速，適用范圍較廣，但其侵入式的測量方式仍破壞了流場的原位性；中國專利CN106483329A公開的基于干涉型光纖傳感的水管流速測量裝置及方法采用了光纖式流速測量，將二氧化硅材料制備而成傳感光纖插入到運營的水管網中來實現對水管中水的流速測量，光纖插入水管網屬于侵入式測量，破壞流場的原位性；中國專利CN1320809A公開的超聲波流速測量儀通過測量超聲波的渡越時間來測量流體的平均速度，并由此測出氣體的流量和水位，但由于超聲波測量只能測出平均流速，不能測得每個點的精確流速，對于流速不均勻區域或某管道截面不均勻的狀態測量誤差較大，故超聲波流速測量儀只適用于流速均勻區域或大型河流流速的有效測量，不適用于近壁級的小尺寸測量。

發明內容

為了解決現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是提供一種用于近壁流速測量的光電流速儀及測速方法。該流速儀用于近壁三維流場的測量時，實現了非侵入式、原位、實時、高精度測量，可以用于測量空氣匯總流場、小尺度水團流速、近壁流場、直升機機翼表面流場、化學化工反應速率以及油氣管道內的油氣流速流量的高精度測量。

為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為：

用于近壁流速測量的光電流速儀，包括：

激光光源；

波導傳感器，其進口設置于激光光源的發射口，從進口至出口依次設置波導輸入段、分光段和合束段；

光電探測器，設置于波導傳感器的測面。

激光光源發出的激光進入波導傳感器后，激光出射到被測流場中，基于相干光干涉原理產生干涉條紋與流場中的運動粒子相互作用產生光的散射，流場中的粒子將光散射回波導傳感陣列上方的光電探測器，光電探測器將光信號轉換為電信號，電信號進入數據處理單元。粒子無需人工添加，利用流場中的自然粒子即可。