CN104166012A - 一种适用于浑浊流体的流速流向监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浑浊流体监测装置，装置包括触杆、连接件、弹性阻尼体、基座、导光管、光学透镜、光学定位传感器、光源发射模块和数据处理器；光学透镜与光学定位传感器及静止位置的触杆共轴线；由光源发射模块发出的散射光经导光管导出，并通过光学透镜聚光后投射至光学定位传感器上；数据处理器与光学定位传感器电信号连接，用于接收光学定位传感器提供的光斑中心的坐标信息，即得到当前触杆偏离静止位置的角度，计算得到流体的流速和流向。本发明制造成本低、能效小、可批量安装使用、能够在浑浊水体等恶劣环境下实时监测流体信息。

Description

一种适用于浑浊流体的流速流向监测装置

技术领域

本发明属于流体测量技术，涉及了一种适用于浑浊流体的流速流向监测装置，具体地说，提出了一种阻尼杆式的流速流向测量装置，可用于浑浊流体的实时监测。

背景技术

在流体测量领域，目前的测量技术与方法主要有超声波多普勒技术、激光技术、热线热膜测速技术等先进的流体测量手段，但这些技术及设备有的价格昂贵，有的不便使用，不能作为机载设备安装在空间受限的航行器上，随着人类在近海、湖泊等浅水水下活动的不断深入，对于浅水水流信息的获取变得越来越重要，这些区域的流体浑浊度较大，限制了一些测量设备的使用，急需一种价格低廉、低能耗、可大量安装使用的测量设备，可安装在如水下机器人、海洋平台水下部分等设施用于实时感知流体信息。

发明内容

本发明提供的一种浑浊流体监测装置，目的在于为解决现有流体测量传感器的缺陷，特别是提供一种制造成本低、能效小、可批量安装使用、可在浑浊水体等恶劣环境下实时监测流体信息。

本发明提供的一种浑浊流体监测装置，其特征在于，该装置包括触杆、连接件、弹性阻尼体、基座、导光管、光学透镜、光学定位传感器、光源发射模块和数据处理器；

所述触杆为中心轴对称结构，呈柱状；所述基座为空心结构，其上盖板上固定安装有弹性阻尼体；

所述连接件的一端包裹在触杆内部，另一端穿过弹性阻尼体中心位置并位于基座内部，且连接件中部固定在弹性阻尼体上，连接件的底端安装有光源发射模块，导光管用于将光源发射模块发出的散射光导出，其中心轴线与触杆的中心轴线重合，且与触杆保持同步运动，且与弹性阻尼体的中心方向相反，光源发射模块下方依次布置有光学透镜和光学定位传感器，光学透镜与光学定位传感器及静止位置的触杆共轴线；由光源发射模块发出的散射光经导光管导出，并通过光学透镜聚光后投射至光学定位传感器上，在光学定位传感器上生成一个亮度均匀并集中的光斑；

数据处理器与光学定位传感器电信号连接，用于接收光学定位传感器提供的光斑中心的坐标信息，即得到当前触杆偏离静止位置的角度，计算得到流体的流速和流向。

本发明装置可以实时监测单点的流体信息，将监测装置按阵列分布，可以根据测量环境的需要，形成完整的测量曲面，实时监测环境中的流体流场变化情况。

本发明装置将流体运动通过形状可恢复的带阻尼的杠杆机构转化为光源的同步运动，采用光电成像定位技术一次性同时测量流体的流速及流向信息，不需要矢量运算，不需要同时使用多个间接传感器，可广泛用于空中及水下流体信息的实时监测，本发明可测量流经与测量装置底部平面平行的流体的二维信息。

附图说明

图1为本发明提供的浑浊流体监测装置的整体结构示意图；

图2为弹簧-惯量-阻尼简化模型示意图；

图3为静水标定实验装置示意图；

图4为成像结果分析原理图；

图5为光学定位传感器得到的光斑图，(a)为光斑图，(b)为光斑中心定位图

图6为成像平面矢量坐标图；

图中，1为触杆，2为连接件，3为弹性阻尼体，4为基座，5为导光管，6为光学透镜，7为光学定位传感器，8为定位栓，9为光源发射模块，10为数据处理器，11为弹性导线，12为光学透镜固定支座，13为光学定位传感器固定支座；14为调速电机，15为直线导轨，16为拉绳，17为载物台，18为水槽，19为水。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明装置中，流体对触杆1的冲击作用产生偏移运动，弹性阻尼体3约束流体的冲击，使得如图1所示的结构模型可简化为图2所示的弹簧-惯量-阻尼模型，其中，θ为流速v的流体冲击触杆1使其偏转的角度(即偏离静止位置的角度)，F为流体的冲击力，又称拖曳力，L₁为从触杆1顶端到弹性阻尼体3中心的长度，L₂为从弹性阻尼体3的中心到达连接件2底端的长度，c₁、c₂分别为弹性阻尼体3简化模型中扭转阻尼系数和拉伸阻尼系数，k₁、k₂分别为弹性阻尼体3简化模型中扭转刚度系数和拉伸刚度系数，J为触杆1的转动惯量。

该模型的二阶传递函数为：

$\mathrm{\θ}\left(s\right)=\frac{F\left(s\right)L_1}{2({\mathrm{Js}}^2+(c_1+c_2{L}_2^2)s+(k_1+k_2{L}_2^2))}$    (1)

s是传递函数的参变量。

流速为v的流体冲击触杆1产生的拖曳力F大小为：

$F=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2\mathrm{AC}$     (2)

其中，ρ为流体密度，v为流体速度，A为流体在触杆1上的作用面积，C为触杆1拖拽力系数。

在流体对触杆1冲击中，不考虑流体方向变化瞬间产生的作用，考虑触杆1受到流体的冲击方向与速度在一定时间内不变，则得到式(1)的进一步简化模型为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{FL}}_1}{2(k_1+k_2{L}_2^2)}$   (3)

联立式(2)(3)，得流体流速v为：

$v=2\sqrt{\frac{(k_1+k_2{L}_2^2)\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\ρACL}}_2}}$   (4)

据此，得到上述式(4)中的所有参数，流体速度值即可解得。

本发明主要采用了光学成像方法及对应的装置解决了角度θ测量的问题。如图1所示，本发明提供的测量装置包括触杆1、连接件2、弹性阻尼体3、基座4、导光管5、光学透镜6、光学定位传感器7、光源发射模块9和数据处理器10。

触杆1为柱状，主要采用硬度超过邵氏D65、弹性模量超过40Mpa的聚氨酯或韧性塑料，实施例中采用树脂材料，为了可以准确测量来自各个可能方向的流体情况，柱状的触杆1应采用中心轴对称结构，实施例中采用了圆柱状结构。

基座4为空心结构，其上盖板上固定安装有弹性阻尼体3，弹性阻尼体3可采用硬度在邵氏A40到60之间，弹性模量超过3MPa的硅胶或聚氨酯等弹性材料制作。

连接件2采用硬度超过邵氏D70的合成塑料，其一端包裹在触杆1底端的内部，另一端穿过弹性阻尼体3中心位置并位于基座4内部，且连接件2中部固定在弹性阻尼体3上，定位栓8将弹性阻尼体3的边缘固定在基座4上部。连接件2的底端安装有光源发射模块9，实施例中采用发光二极管。光源发射模块9发出的光是散射光，经过内径在0.5mm以内的导光管5导出，导光管5中心轴线与触杆1的中心轴线重合，与触杆1同步运动，但沿弹性阻尼体3的中心方向相反，导光管5采用准直不变形的高硬度材料制作，实施例中的导光管5内径0.5mm，采用壁厚0.1mm的钛毛细管。光学定位传感器7安装在基座4内，并位于导光管5的下方，在导光管5和光学定位传感器7之间设置有光学透镜6。

光学定位传感器7用于定位位于触杆1底部光源的移动位置。光源发射模块9发出的光束通过导光管5投射到光学透镜6上，光学透镜6对其聚光，在光学定位传感器7上生成一个亮度均匀并集中的光斑。

数据处理器10与光学定位传感器7电信号连接，它接收光学定位传感器7提供的光斑中心的坐标信息，即可得到当前触杆1偏离静止位置的角度。

根据式(4)中，弹性阻尼体3扭转刚度系数和拉伸刚度系数影响了测量速度v的表达，直接影响了本发明的测量范围，根据欧拉-伯努利梁理论，弹性阻尼体3的扭转刚度系数及拉伸刚度系数可由下式近似计算：

$k_1=\frac{n_1\mathrm{EI}}{h}$   (5)

$k_2=\frac{n_2\mathrm{\πEh}}{2(1+\mathrm{\μ})}$   (6)

其中，n₁、n₂为弹性阻尼体3所用材料的固定的边界条件系数，I为圆柱状薄片弹性阻尼体3的截面二次轴矩，D为弹性阻尼体3的截面圆的直径。h为弹性阻尼体3的厚度，E为弹性阻尼体所用材料的弹性模量，μ为弹性阻尼体所用材料的泊松比。

联立(4)(5)(6)得：

$v=\sqrt{\frac{(\frac{n_1{\mathrm{ED}}^4}{32h}+\frac{n_2{\mathrm{EhL}}_2^2}{1+\mathrm{\μ}})\mathrm{\θ}}{{\mathrm{r\ρCL}}_1^2{L}_2}}$   (7)

即为流速v的计算式，其中，r为触杆1的横截面直径。

据此，流速v与触杆1转角θ之间具有关系：

$v={\mathrm{a\θ}}^{\frac{1}{2}}$   (8)

进一步的，为保证函数关系的准确，实施例中增加一个权函数项，将式(8)扩展为

$v=\mathrm{m\θ}+{\mathrm{a\θ}}^{\frac{1}{2}}$   (9)

其中，m，a为测量装置的标定系数，实际测量应用时，可根据这个关系式进行测量装置的标定，即得到m，a的具体值。进一步的，可采取标定时所测得的多组数据，通过曲线拟合得到速度v与θ的其它形式表达式，具体的方法是：

采用射流法或静水标定法。

实施例中采用静水标定法，如图3所示，在水槽18中放置一定量的水19，水保持静止。水槽18上方架设直线导轨15，直线导轨15上安装有可滑动的载物台17，通过拉绳16，载物台17与调速电机14连接在一起，调速电机14转动，卷动拉绳16，使载物台17朝向调速电机14的方向移动，载物台17下部安装有本发明所述的测量装置，装置的基座4固定在载物台17上，保证触杆1全部深入水里，同时基座4不影响滑行中水面的变化。标定时，载物台17与触杆1在直线导轨15上远离调速电机14的一端，静水中，启动调速电机14并使其始终保持在一个速度，使得拉绳16拉动载物台17及触杆1以一个定速v移动，通过本发明的装置测量得到触杆1偏转的角度为θ，记录下定速v与角度θ，不断调整调速电机14的速度，重复上述步骤，记录下对应的触杆1偏转角度的值，得到多组数据，采用曲线拟合可得到式(9)的系数m，a的具体值。

式(7)得到角度θ与流速v的关系，可用于确定测速范围。即根据装置的最大允许偏转角θ_max，计算得到最大可测速度值v_max，即为装置的最大测量范围；根据采用光斑中心光学定位传感器的最小分辨率，得到可测量的最小速度值，具体的方法是：光学定位传感器的最小分辨率的尺寸为长度R_m。

导光管5发出的光与光学透镜6、光学定位传感器7组成光斑成像测量系统，之间成像关系如图4所示。其中，导光管5光出口位置距离光学透镜6的距离为u₁，光学透镜6焦距为f，导光管5在光学定位传感器上成的像距离光学透镜6为u₂。光学定位传感器7的最小分辨率的尺寸为R_m，相当于成像前导光管5移动距离的最小分辨率尺寸R_m′。

则有：

$\frac{{R_m}^{\′}}{u_1}=\frac{R_m}{u_2}$   (10)

得最小可分辨角度θ_min具有关系：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\min }=\frac{{R_m}^{\′}}{L_2}$   (11)

联立式(7)(10)(11)，得最小测量速度v_min为：

  (12)

则，测量范围理论值为

本发明采用光电成像方法测量触杆1偏离静止位置的角度。

在基座4内部，如图4所示，触杆1低端的导光管5发出的光线，通过光学透镜6折射后，在光学定位传感器7上成像，得到光斑，点A为触杆1围绕弹性阻尼体3扭转的中心，点B为导光管5的中心，点C为光学透镜6中心轴线与其过B点的垂线相交的点，点D为光学透镜6的中心，点E为光学定位传感器7上的光斑的中心，点F为光学透镜6中心轴向与其过E点的垂线相交的点，根据成像原理，A、B、C、D、E、F六个点共面，构成了三个直角三角形ΔABC，ΔBCD，ΔDEF，其中AB段长度为L₂，AD长度即为弹性阻尼体3中心点距离光学透镜6中心的距离，记为L_AD，DF长度即为光学透镜6中心到光学定位传感器7的距离，记为L_DF，EF长度即为光学定位传感器7上的光斑中心与光学定位传感器7中心的距离，记为R_test，∠BAC为待测的触杆1的偏转角度，记为θ，∠BDC记为θ₁，∠EDF记为θ₂，具有如下几何关系：

AB＝L₂，       (13)

AC＝L₂cosθ，      (14)

BC＝L₂sinθ，    (15)

CD＝AD-AC＝L₂-L₂cosθ，    (16)

$\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{CD}}={\tan \mathrm{\θ}}_1={\tan \mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{EF}}{\mathrm{DF}}=\frac{R_{\mathrm{test}}}{L_{\mathrm{DF}}},$     (17)

联立式(15)(16)(17)，得到

$\frac{\sin \mathrm{\θ}}{1-\cos \mathrm{\θ}}=\frac{R_{\mathrm{test}}}{L_{\mathrm{DF}}}$     (18)

根据三角函数关系，得到

$\mathrm{\θ}=\frac{{2R}_{\mathrm{test}}{L}_{\mathrm{DF}}}{{R_{\mathrm{test}}}^2+{L_{\mathrm{DF}}}^2}$     (19)

即为触杆1偏转的角度θ，式中，R_test为光学定位传感器7上的光斑中心与光学定位传感器7中心的距离，L_DF为光学透镜6中心到光学定位传感器7的距离。

将式(19)代入标定后的式(9)得到对应的流速值v。

本发明装置的测向方法为：

以图像处理、矢量运算为方法，其中，光学定位传感器7为光学光学定位传感器，可采用CMOS或CCD图像芯片实施例中采用分辨率为720X480的CMOS黑白色芯片，尺寸为6mmX4mm，有效测量分辨率为480X480，有效测量尺寸为4mmX4mm。

实施例中采集的光斑图像如图5(a)所示，如图6所示，光学定位传感器7的成像结果为矩形，建立以光学定位传感器7的中心为原点O的坐标系，光学定位传感器7采集的图像为灰度图像，如果采用彩色光学传感器7，需要将彩色图像转换为灰度图像后，再进行光斑中心的定位，以整数为单位，每个坐标点M_ij的坐标(x_i，y_j)(i∈[-320，320]，j∈[-240，240])对应了一个像素点，每个像素点都对应一个具体的灰度值f(x_i，y_j)，采用图像处理算法，可以得到光斑的中心位置，实施例中采用的灰度重心法具体是指：

灰度重心法(又叫质心法)可以看成是以灰度为权值的加权型心法。灰度图像I(i，j)中目标S的灰度重心(x₀，y₀)为

$x_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{(i,j)\∈S}\mathrm{if}(i,j)}{{\mathrm{\Σ}}_{(i,j)\∈S}f(i,j)},y_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{(i,j)\∈S}\mathrm{jf}(i,j)}{{\mathrm{\Σ}}_{(i,j)\∈S}f(i,j)};$

对于实施例中的情况，目标灰度明显大于背景灰度，则非常适合采用这种方法。

采用灰度重心法，找到触杆1在仅受重力作用下，静止位置的导光管5在光学定位传感器7上的光斑中心位置(x₀，y₀)，使其与如图6所示坐标系的原点O重合，进一步确定二维坐标轴的横轴和纵轴，根据光学定位传感器7的分辨率，使坐标轴与光学定位传感器7矩形的四个边分别平行。采用此坐标系及灰度重心法找到图5(a)的光斑中心为如图5(b)所示，对应点的坐标为(-229.9705，53.0432)。

测量时，触杆1在水流冲击下发生偏转，导光管5随触杆1的运动而运动，光学定位传感器7测得导光管5的光斑在某一时刻的位置信息后，即根据数据处理器10，得到经导光管5的光斑中心在光学定位传感器7上的当前坐标值为点M的坐标(x_t，y_t)，该坐标值相对于原点及坐标轴而言，构成矢量变化，由于透镜的折射作用，该矢量即为导光管5在光学定位传感器7上的运动位置反向投影，其矢量方向与流体流动方向一致，即可监测到的流体在与当前光学定位传感器7所在的平面相平行的二维平面上，方向为矢量的方向，其矢径大小即为式(19)中的R_test。

$R_{\mathrm{test}}=\sqrt{{x_t}^2+{y_t}^2}$   (20)

矢量方向及流向测量结果为：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{test}}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{y_t}{x_t},(x_t>0)\\ 2\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{y_t}{x},(x_t<0,y_t>0\mathrm{or}{y}_t=0)\\ \arctan \frac{y_t}{x_t},(x_t<0,y_t<0\mathrm{or}{y}_t=0)\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},(x_t=0,y_t>0)\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{4},(x_t=0,y_t<0)\end{array}\right.$    (21)

联立式(9)(19)(20)，得流速测量结果为：

$v\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\mathrm{m\&theta;}+{\mathrm{a\&theta;}}^{\frac{1}{2}}=v\left(\frac{2\sqrt{{x_t}^2+{y_t}^2}{L}_{\mathrm{DF}}}{{x_t}^2+{y_t}^2+{L_{\mathrm{DF}}}^2}\right)$

v就是输出的流速测量结果。

进一步的，供电电路的弹性导线11可选择采用导电硅橡胶等柔性导电材料，不影响导光管5的运动，光学透镜固定支座12和光学定位传感器固定支座13采用合成塑料制作，分别对光学透镜6和光学定位传感器7起固定作用，将两者固定在基座4的内壁，并使光学透镜6与光学定位传感器7及静止位置的触杆1共轴线。

实施例中，触杆1采用长度150mm，直径4mm的树脂塑料制作，弹性阻尼体3采用硬度在邵氏A40，拉伸强度8.2MPa的硅胶制成，外径8mm，内径2mm，厚度1.5mm，底座内部采用0402型号的LED发光二极管，颜色白色，静水标定后，流速v与转角的θ的关系式为：

$v=17.087\mathrm{\&theta;}+{4.851\mathrm{\&theta;}}^{\frac{1}{2}}$

实施例的测量范围为0m/s-20m/s，测量精度为0.001m/s。

测向范围为0-360度。

上述装置可以实时监测单点的流体信息，将多个监测装置按阵列分布，就可以得到多点的流体信息，形成完整的测量曲面，对各个点的监测信息进行分析，能够获得流体流场变化情况。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种流体的流速流向监测装置，其特征在于，该装置包括触杆、连接件、弹性阻尼体、基座、导光管、光学透镜、光学定位传感器、光源发射模块和数据处理器；

所述触杆为中心轴对称结构，呈柱状；所述基座为空心结构，其上盖板上固定安装有弹性阻尼体；所述连接件的一端包裹在触杆内部，另一端穿过弹性阻尼体中心位置并位于基座内部，且连接件中部固定在弹性阻尼体上，连接件的底端安装有光源发射模块，导光管用于将光源发射模块发出的散射光导出，其中心轴线与触杆的中心轴线重合，且与触杆保持同步运动，且与弹性阻尼体的中心方向相反，光源发射模块下方依次布置有光学透镜和光学定位传感器，光学透镜与光学定位传感器及静止位置的触杆共轴线；由光源发射模块发出的散射光经导光管导出，并通过光学透镜聚光后投射至光学定位传感器上，在光学定位传感器上生成一个亮度均匀并集中的光斑；

数据处理器与光学定位传感器电信号连接，用于接收光学定位传感器提供的光斑中心的坐标信息，即得到当前触杆偏离静止位置的角度，计算得到流体的流速和流向。

2.根据权利要求1所述的流速流向监测装置，其特征在于，数据处理器利用式I计算流速v：

$v=\sqrt{\frac{(\frac{n_1{\mathrm{ED}}^4}{32h}+\frac{n_2{\mathrm{EhL}}_2^2}{1+\mathrm{\&mu;}})\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{r\&rho;CL}}_1^2{L}_2}}$    式I

n₁、n₂为弹性阻尼体所用材料的固定的边界条件系数，E为弹性阻尼体所用材料的弹性模量，D为弹性阻尼体的截面圆的直径，h为弹性阻尼体的厚度，μ为弹性阻尼体所用材料的泊松比，L₁为从触杆顶端到弹性阻尼体中心的长度，L₂为从弹性阻尼体的中心到达连接件底端的长度，θ为触杆偏转的角度，ρ为流体密度，C为触杆拖拽力系数，r为触杆的横截面直径。

3.根据权利要求1所述的流速流向监测装置，其特征在于，数据处理器利用式II计算流速v：

$v=\mathrm{m\&theta;}+{\mathrm{a\&theta;}}^{\frac{1}{2}}$    式II

其中，m，a为装置的标定系数，θ为触杆偏转的角度。

4.根据权利要求1、2或3所述的流速流向监测装置，其特征在于，静止位置时光斑中心在光学定位传感器上的位置为(x₀，y₀)，即坐标系原点O的位置，设光斑中心在光学定位传感器上的当前坐标值为点M的坐标(x_t，y_t)，液体的方向即为矢量的方向。

5.根据权利要求4所述的流速流向监测装置，其特征在于，流速流向即矢量的方向为光斑位置矢量相对指定方向的角度θ_test，根据式III计算：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{test}}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{y_t}{x_t},(x_t>0)\\ 2\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{y_t}{x},(x_t<0,y_t>0\mathrm{or}{y}_t=0)\\ \arctan \frac{y_t}{x_t},(x_t<0,y_t<0\mathrm{or}{y}_t=0)\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},(x_t=0,y_t>0)\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{4},(x_t=0,y_t<0)\end{array}\right.$   式III

。

6.根据权利要求1至5中任一所述的流速流向监测装置，其特征在于，所述触杆采用硬度超过邵氏D65、弹性模量超过40Mpa的聚氨酯或韧性塑料。

7.根据权利要求1至5中任一所述的流速流向监测装置，其特征在于，弹性阻尼体采用硬度在邵氏A40到60之间，弹性模量超过3MPa的硅胶或聚氨酯等弹性材料，连接件采用硬度超过邵氏D70的合成塑料。

8.根据权利要求1至5中任一所述的流速流向监测装置，其特征在于，所述弹性阻尼体为圆柱状薄片。

9.根据权利要求1至5中任一所述的流速流向监测装置，其特征在于，导光管采用包括钛毛细管在内的准直不变形的高硬度材料制作。

10.根据权利要求1至5中任一所述的流速流向监测装置，其特征在于，多个所述监测装置按阵列布置，用于形成完整的测量曲面，实时监测环境中的流体流场变化情况。