CN103438943B - 一种光纤传导式转子流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传导式转子流量传感器，包括电路系统、平行光源、玻璃转子流量计、光纤传像束和光敏二极管阵列，其中，所述光纤传像束沿玻璃管的轴线方向排列成有序的一竖列并与玻璃管外壁接触，平行光源和光纤传像束阵列分别位于玻璃管的两侧，光纤传像束阵列位于平行光源的对侧，平行光源的长度与光纤传像束阵列的长度相同；光纤传像束阵列由一竖列光纤组成，该列光纤分为m／2组，每组光纤的排列长度相当于浮子长度的2倍，每组光纤由n根光纤组成，n为正整数，相应地，所述光敏二极管阵列由n个光敏二极管组成。本发明的传感器具有以下特点：输出的是数字信号，抗干扰能力强，分辨率高，性能稳定可靠，结构简单，成本低。

Description

一种光纤传导式转子流量传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传导式转子流量传感器。

背景技术

传感器技术一直是热门技术，其中流量传感器在工业生产、化工、环境监测、生化技术及科学试验等领域有着广泛的应用。传统的流量计中，玻璃转子流量计是常见的一大类，该流量计虽然结构简单，便于使用，但它仅能满足现场即时计量使用，无法实现对流量的记录和自动控制。而在现有的一些转子式流量传感器中，多是以模拟量转换的方式进行物理量的转换（如差动变压器），其输出是模拟量，取样信号只有量的变化没有质的变化（突变的），很难抵御外部的干扰，内部的漂移，稳定性和可靠性很难以满足使用要求。而数字化取样的传感器在可靠性、稳定性方面会得到根本性的改善，所以数字化物理量转换机理的研究已成为传感器研究领域的一个主攻方向。

专利200620046512.2中公开了一种光纤浮子流量计，只是相当于给转子流量计装上了二个光电式的限位开关（装于相应控制流量的上限和下限处），作用和常规的磁性限位开关作用相同，只能起控制流量的上限和下限作用（即流量达到限定值后输出控制信号），它解决的问题如其在技术背景和发明内容中所述，主要是消除磁性限位开关易磁场的影响和限位精度低的问题，它无法实现对瞬时流量进行连续的精确测量和远程自动调节上、下限位置（因为它必须靠手动调节），而且，光信号控制器是一一对应的方式，并且其结构无法用在大量敏感元件的阵列中（因为不能用大量的固态激光器作光源，而用一一对应的光纤作光源，输出很小，不能满足使用要求）。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种光纤传导式转子流量传感器，该传感器有以下特点：输出的是数字信号（每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号），抗干扰能力强，分辨率高，性能稳定可靠，结构简单，成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种光纤传导式转子流量传感器，包括电路系统、平行光源、玻璃转子流量计、光纤传像束和光敏二极管阵列，其中，

所述电路系统的结构为：包括微处理器、光源扫描电路、驱动电路、信号处理电路和光敏二极管扫描电路，其中，微处理器与光源扫描电路连接，光源扫描电路通过驱动电路与LED连接（驱动电路通过导线与LED连接）（通过光源扫描电路可以控制LED阵列中的LED依次接通发光）；微处理器与信号处理电路连接，信号处理电路与光敏二极管扫描电路连接，光敏二极管扫描电路与光敏二极管连接；

所述平行光源的结构为：包括依次排列的LED固定座、LED阵列、毛玻璃、圆柱状透镜和窄缝板，LED阵列分为m组LED组（可以依次编号为M1、M2、Mm），每组的排列长度相当于浮子的长度，每组LED组由若干LED组成，m为正整数且为偶数；LED固定在LED固定座上，窄缝板与玻璃管的外壁接触；平行光源的工作原理为公知常识，为：LED发光后，光线依次通过毛玻璃、圆柱状透镜和窄缝板，从窄缝板射出，得到平行光源，作用于玻璃管；

所述玻璃转子流量计的结构为：包括透明的锥形玻璃管（锥度一般为1：100），玻璃管内壁或外壁上除与窄缝板、光纤接触的部分（接触的部分称为窄缝）外其它部分涂覆有黑色涂层（以防止受到其它光源的影响），玻璃管上端设有上基座，下端设有下基座，玻璃管内设有浮子（是现有技术中的常规装置）；

所述光纤传像束沿玻璃管的轴线方向排列成有序的一竖列（起刻度作用）并与玻璃管外壁接触，平行光源和光纤传像束阵列分别位于玻璃管的两侧，光纤传像束阵列位于平行光源的对侧（即保证平行光源射出的光线能够被光纤传像束接收到），平行光源的长度与光纤传像束阵列的长度相同（即保证平行光源发出的平行光在没有被浮子挡住时每根光纤都能够接收到平行光源发出的平行光）；光纤传像束阵列由一竖列光纤组成（或若干竖列光纤组成，可以增强光强），该列光纤分为m／2组，每组光纤的排列长度相当于浮子长度的2倍，每组光纤由n根光纤组成，n为正整数，相应地，所述光敏二极管阵列由n个光敏二极管组成，每组光纤中的n根光纤分别编号为：1a、2a……na，n个光敏二极管分别编号为：N1、N2……Nn，每组光纤中编号为1a的光纤都传导到编号N1的光敏二极管上（相同序号的光纤在光敏二极管处排列成圆形，再通过透镜传导，为常规技术手段），每组光纤中编号为2a的光纤都传导到编号N2的光敏二极管上，每组光纤中编号为na的光纤都传导到编号Nn的光敏二极管上，由于相同序号/编号的光纤共用一个光敏二极管（不是常规的一一对应的方式），因此，可以大大减少光敏二极管的数量（不管光纤传像束阵列排列总长是多长，都只用n个光敏二极管）。（减少了光敏二极管的数量，但是不影响判断浮子位置的原理为：每组n根光纤，排列长度相当于2倍的浮子长度，这样就可以保证浮子在阻挡光线时，不出现相临两组相同序号的光纤同时被阻挡的情况。每组若干个LED，其排列长度相当于浮子的长度，这样可以保证光线覆盖范围为一个浮子长度，不出现同序号的光纤同时被照亮的情况，并且保证扫描光线不出现间断，在通过微处理器对光源扫描电路和光敏二极管扫描电路进行相应的时序控制，这样就实现了即能减少光敏二极管的数量又不影响判断浮子位置的目的，而且还可以节省电能）。

本发明的光纤传导式转子流量传感器的工作原理为：在光源扫描电路（光源扫描电路受微处理器的控制）控制下，LED阵列中的LED（以组为单元）依次接通发光，光线透过玻璃管后，由另一侧的光纤接收并传导至相应的光敏二极管，由于浮子的存在，与浮子处于同一高度的平行光源发出的光被浮子挡住，则与浮子处于同一高度的光纤接受不到光线，从而使相应的光敏二极管接收不到光线；光敏二极管扫描电路对光敏二极管依次扫描，随着扫描的进行，每个光敏二极管的状态信息（是否接收到光线）依次输出到信号处理电路，该信号（每个光敏二极管的状态信息）经信号处理电路处理后送入微处理器，微处理器根据各点光强计算出浮子的位置，再根据相关的流量公式换算成相应的流量（根据浮子的位置计算相应的流量是现有技术，本发明对此无改进，不再赘述），具体应用时，微处理器通过数据线与远程计算机或显示装置连接，从而可以远程监测流量。

所述微处理器、信号处理电路、光源扫描电路、光敏二极管扫描电路和驱动电路，其工作方式、工作原理（如怎样发出信号，接收信号，对信号怎样处理等）均为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

所述平行光源的结构、工作原理均为现有技术中成熟的技术，在此不再赘述。

所述玻璃转子流量计是现有技术中的常规装置，本发明对此结构的改进只是在玻璃管内壁或外壁上涂覆了黑色涂层，没有其它改进，在此不再赘述。因为本发明采用的是非接触的方式对浮子的位置进行测量，所以对转子流量计的结构不用做改动（除涂覆黑色涂层外），相应地，转子流量计相关的原理和公式不变，在此不再赘述。

本发明的光纤传导式转子流量传感器，与现有技术中其它形式的转子流量传感器相比（如差动变压器式、光纤光栅式等），具有以下优点：

1)输出是数字信号，每个感应元都是以开关脉冲的形式输出信号（每个光敏二极管只有是否接收到光线两种状态），取样数据只有“0”与“1”，克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊的成份，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性，不需要专门的A/D转换电路，这样可以避免A/D器件对精度的影响（因为A/D器件精度有限，在无形中会降低了数据精度），有利于减少测量时间，也利于信号的远距离传输。

2)光敏二极管的用量比传统的一一对应的方式要少很多（有效的解决了精度和分辨与敏感元件用量的矛盾），这将大大地有利于制造（需要用大量的阵列式的敏感元器件正是数字化物理量转换机理要解决的技术难点之一，因为随着敏感元件的大量增加，将会使布线变的非常困难，对这些单元有序控制的数据处理单元也要增加，这将大大地增加制造成本），对光敏二极管排列的技术要求很低（这也有利于制造），光敏二极管阵列，也可用若干个线阵CCD拼接而成，而且，不存在拼接困难问题。

3)光纤起电气隔离作用，使抗干扰能力进一步得到提高（相当于光电藕合器，光电藕合器的优点就是有很强的抗干扰性）。

4)因为是非接触式测量，不会对浮子移动产生干扰，没有机械转换机构从而减少了误差来源，浮子的位置并不是由一根光纤的光信号确定的，而是浮子长度中包含的每根光纤的光信号，这样，对于光纤排列的误差起到了平均作用（光纤排列的局部误差对于测量精度没有直接的影响）。

5)浮子的位置是通过光纤的几何位置确定的（相当于一个离散型元件），因此不存在非线性问题。

6)因为光纤传像束的纤芯直径非常细（一般为10um左右），所以不用特殊的光学系统就可以实现高分辨率。

7)因为是非接触式测量，对浮子没有任何阻碍，所以和玻璃转子流量计一样，可实现对很小流量的测量（现有技术中其它形式的转子式流量传感器，因受其结构所限制，敏感元件与浮子之间存在机械性接触，浮子移动会受到阻碍，当流量小时浮子将无法移动），而且，在测量范围内均为相同的分辨率。

此外，本发明还具有结构简单、制造容易、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的光纤传导式转子流量传感器的结构示意图。

图2为本发明的光纤传导式转子流量传感器的电路原理示意图。

图3为本发明的光纤传导式转子流量传感器的光纤排列、光敏二极管排列和LED排列示意图（仅为技术人员为方便理解而绘制的示意图）。

图4为图3中A-A线剖视图。

图5为LED阵列、浮子、光纤传像束、光敏二极管排列原理示意简图（仅为技术人员为方便理解而绘制的示意图），其中，m=6，n=12。

其中，1、光纤传像束；2、上基座；3、导线；4、支承板；5、浮子；6、锥形玻璃管；7、平行光源；8、LED（高亮度发光二极管）；9、下基座；10、毛玻璃；11、圆柱状透镜；12、窄缝板；13、微型透镜；14、光源扫描电路；15、微处理器；16、黑色涂层；17、窄缝；18、LED固定座；19、数据线；20、信号处理电路；21、驱动电路；22、光敏二极管；23、光敏二极管扫描电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种光纤传导式转子流量传感器，包括电路系统、平行光源、玻璃转子流量计、光纤传像束1和光敏二极管阵列，其中，

所述电路系统的结构为：包括微处理器15、光源扫描电路14、驱动电路21、信号处理电路20和光敏二极管扫描电路23，其中，微处理器15与光源扫描电路14连接，光源扫描电路14通过驱动电路21与LED8连接（驱动电路21通过导线3与LED8连接）（通过光源扫描电路14可以控制LED阵列中的LED8依次接通发光）；微处理器15与信号处理电路20连接，信号处理电路20与光敏二极管扫描电路23连接，光敏二极管扫描电路23与光敏二极管22连接；

所述平行光源的结构为：包括依次排列的LED固定座18、LED阵列、毛玻璃10、圆柱状透镜11和窄缝板12，LED阵列分为m组LED组（可以依次编号为M1、M2、Mm），每组的排列长度相当于浮子的长度，每组LED组由若干LED8组成，m为正整数且为偶数；LED8固定在LED固定座18上，窄缝板12与玻璃管6的外壁接触；平行光源的工作原理为：LED8发光后，光线依次通过毛玻璃10、圆柱状透镜11和窄缝板12，从窄缝板12射出，得到平行光源，作用于玻璃管6；

所述玻璃转子流量计的结构为：包括透明的锥形玻璃管6，玻璃管6内壁上除与窄缝板12、光纤传像束1接触的部分（接触的部分称为窄缝17）外其它部分涂覆有黑色涂层16（以防止受到其它光源的影响），玻璃管6上端设有上基座2，下端设有下基座9，玻璃管6内设有浮子5；

所述光纤传像束1沿玻璃管6的轴线方向排列成有序的一竖列（起刻度作用）并与玻璃管6外壁接触，平行光源和光纤传像束阵列分别位于玻璃管6的两侧，光纤传像束阵列位于平行光源的对侧（即保证平行光源射出的光线能够被光纤传像束1接收到），平行光源的长度与光纤传像束阵列的长度相同（即保证平行光源发出的平行光在没有被浮子5挡住时每根光纤都能够接收到平行光源发出的平行光）；光纤传像束阵列由一竖列光纤组成，该列光纤分为m／2组，每组光纤的排列长度相当于浮子长度的2倍，每组光纤由n根光纤组成，n为正整数，相应地，所述光敏二极管阵列由n个光敏二极管22组成，每组光纤中的n根光纤分别编号为：1a、2a……na，n个光敏二极管22分别编号为：N1、N2……Nn，每组光纤中编号为1a的光纤都传导到编号N1的光敏二极管22上（相同序号的光纤在光敏二极管22处排列成圆形，再通过透镜13传导），每组光纤中编号为2a的光纤都传导到编号N2的光敏二极管22上，每组光纤中编号为na的光纤都传导到编号Nn的光敏二极管22上，由于相同序号/编号的光纤共用一个光敏二极管22（不是常规的一一对应的方式），因此，可以大大减少光敏二极管22的数量（不管光纤传像束阵列排列总长是多长，都只用n个光敏二极管22）。

本发明的光纤传导式转子流量传感器的工作原理为：在光源扫描电路14（光源扫描电路14受微处理器15的控制）控制下，LED阵列中的LED8（以组为单元）依次接通发光，光线透过玻璃管6后，由另一侧的光纤接收并传导至相应的光敏二极管22，由于浮子5的存在，与浮子5处于同一高度的平行光源发出的光被浮子5挡住，则与浮子5处于同一高度的光纤接受不到光线，从而使相应的光敏二极管22接收不到光线；光敏二极管扫描电路23对光敏二极管22依次扫描，随着扫描的进行，每个光敏二极管22的状态信息（是否接收到光线）依次输出到信号处理电路20，该信号（每个光敏二极管22的状态信息）经信号处理电路20处理后送入微处理器15，微处理器15根据各点光强计算出浮子5的位置，再根据相关的流量公式换算成相应的流量，具体应用时，微处理器15通过数据线19与远程计算机或显示装置连接，从而可以远程监测流量。

注：本发明适用范围和玻璃转子流量计一样（适用于非混浊的液体或气体）。

Claims (1)

1.一种光纤传导式转子流量传感器，其特征在于：包括电路系统、平行光源、玻璃转子流量计、光纤传像束和光敏二极管阵列，其中，

所述电路系统的结构为：包括微处理器、光源扫描电路、驱动电路、信号处理电路和光敏二极管扫描电路，其中，微处理器与光源扫描电路连接，光源扫描电路通过驱动电路与LED连接；微处理器与信号处理电路连接，信号处理电路与光敏二极管扫描电路连接，光敏二极管扫描电路与光敏二极管连接；

所述光纤传像束沿玻璃管的轴线方向排列成有序的一竖列并与玻璃管外壁接触，平行光源和光纤传像束阵列分别位于玻璃管的两侧，光纤传像束阵列位于平行光源的对侧，平行光源的长度与光纤传像束阵列的长度相同；光纤传像束阵列由一竖列光纤组成或若干竖列光纤组成，该列光纤分为m/2组，每组光纤的排列长度相当于浮子长度的2倍，每组光纤由n根光纤组成，n为正整数，相应地，所述光敏二极管阵列由n个光敏二极管组成，每组光纤中的n根光纤分别编号为：1a、2a……na，n个光敏二极管分别编号为：N1、N2……Nn，每组光纤中编号为1a的光纤都传导到编号N1的光敏二极管上，每组光纤中编号为2a的光纤都传导到编号N2的光敏二极管上，每组光纤中编号为na的光纤都传导到编号Nn的光敏二极管上；

所述平行光源的结构为：包括依次排列的LED固定座、LED阵列、毛玻璃、圆柱状透镜和窄缝板，LED阵列分为m组LED组，每组的排列长度相当于浮子的长度，每组LED组由若干LED组成，m为正整数且为偶数；LED固定在LED固定座上，窄缝板与玻璃管的外壁接触；

所述玻璃转子流量计的结构为：包括透明的锥形玻璃管，玻璃管内壁或外壁上除与窄缝板、光纤接触的部分外其它部分涂覆有黑色涂层，玻璃管上端设有上基座，下端设有下基座，玻璃管内设有浮子。