CN104198759B - 一种可测量浑浊流体三维流动信息的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量流体三维流动信息的装置，该装置包括单片机和三个二维测量单元，各二维测量单元均安装在三维测量基座上，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，每个二维测量单元用于一个平面的二维流动信息；单片机利用各二维流动信息合成得到三维的流动信息。本发明为海洋湖泊等水下环境监测、中高空流体环境监测等领域提供了一种实时获取空间流体三维信息的新方法。采用本发明还可以为水下机器人、潜艇等水下航行器，模型飞机、无人机、载人飞机等低、中、高空飞行器提供外围局部流场实时监测。

Description

一种可测量浑浊流体三维流动信息的装置

技术领域

本发明属于流动测量技术，涉及了一种测量流动信息的装置，具体地说，提出了一种采用光电技术测量二维流动信息，并在此基础上，组成光电测量阵列来测量流体三维流速流向的装置，尤其适用于浑浊流体的测量。

背景技术

实际流体的环境是空间的，掌握三维流速流向信息在流动测量中有着重要意义。目前的技术主要有四类，一类主要依托二维测量装置，通过矢量运算最终合成计算流体的流速和流向，这种方法主要用旋转测速仪等形体较大的装置，一方面占据了测量空间，使得测量的准确度下降，另外，旋转机构的存在，扰乱了流场，导致测量结果不够准确；第二类采用热线热膜的测量方法及装置，但理想状态是探针的热膜或热线要垂直于平均速度，对设备安装使用的角度及位置有要求，需要多次调整位置进行校准，不利于随机环境下的使用；第三类方法如激光多普勒技术等，这类技术可以准确的测量定点位置的三维流动信息，但设备昂贵，且激光测量技术受到流体环境浑浊度的影响，在浑浊区域不能使用，第四类采用压差法测量流体速度及方向，由于流体环境中局部的压差变化非常微弱，很难准确测量，误差较大。

发明内容

为克服现有的三维流体测量技术的缺陷，本发明提供的一种可测量三维流速流向的装置，目的在于从空间更准确的监测随机流体三维信息，包括相对于装置坐标系本身的流体流动方向及速度。

本发明提供的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，该装置包括单片机和三个二维测量单元，各二维测量单元均安装在三维测量基座上，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，每个二维测量单元用于测量流体一个平面的二维流动信息；单片机利用各二维流动信息合成得到三维流动信息。

作为上述技术方案的一种改进，所述二维测量单元均包括测杆、连接柱、弹性阻尼体、二维PSD位置传感器、激光发射准直系统和数据处理器；

底座为空腔结构，弹性阻尼体采用中心轴对称几何结构，以使得弹性阻尼体在各个方向产生的阻尼作用相同，弹性阻尼体安装在底座顶部；连接柱上端与测杆固定连接，使测杆和连接柱能够同步运动，连接柱中间部分与弹性阻尼体固定连接，使得连接柱与弹性阻尼体能够随测杆一同运动，连接柱下端穿过弹性阻尼体伸入到底座的内部空间，连接柱用于将流体对测杆的冲击作用转换为自身的同步运动；

连接柱的底部内固定安装有所述激光发射准直系统，其发射光路上安装有二维PSD位置传感器，数据处理器与二维PSD位置传感器电信号连接，数据处理器用于接收二维PSD位置传感器提供的光斑中心的坐标信息，计算得到流体二维流速和流向，并提供给所述单片机。

作为上述技术方案的另一种改进，所述二维测量单元包括测杆、连接件、弹性阻尼体、底座、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；

所述测杆为中心轴对称结构，呈柱状；所述底座为空心结构，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测杆内部，另一端穿过弹性阻尼体中心位置并位于底座内部，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，其中心轴线与测杆的中心轴线重合，且与测杆保持同步运动，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测杆共轴线；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，即得到当前测杆偏离静止位置的角度，计算得到流体的流速和流向。

作为上述技术方案的再一种改进，所述二维测量单元包括测杆，压电纤维束激光发射准直系统，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，数据处理器；

弹性阻尼体安装在底座上，测杆安装在弹性阻尼体上，测杆与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于测杆的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差；

激光发射准直系统安装在测杆的下部，激光发射准直系统下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直系统用于发射准直的激光光线；

底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器数据处理器；

底座的底面中心安装有防水信号线转接口；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为数据处理器、激光发射准直系统板提供电源；

数据处理器与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速；

二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直系统出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号提供给数据处理器；数据处理器获得二维PSD位移传感器的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。

所述测杆结构为能够防止卡门涡街产生的波浪状结构，如仿海豹的触须。

所述二维测量单元内均可不设置数据处理器，数据处理器的功能均由单片机负责完成。

本发明以可监测二维流动信息的光电测量装置为一个探测单元，按照阵列分布多个探测单元，对于来流的方向和速度采用矢量合成的方法，可实时监测空间流体三维信息，采用波浪状杆体测量机构，可有效防止卡门涡街的产生，减弱对流场的干扰，并提高测量结果的准确度。

基于本发明的装置造价低，适用范围广，测量结果准确。采用本发明还可以为水下机器人、潜艇等水下航行器，模型飞机、无人机、载人飞机等低、中、高空飞行器提供外围局部流场实时监测。

附图说明

图1为三维流速流向测量装置侧视图；

图2为三维流速流向测量装置俯视图；

图3为空间直角坐标系示意图；

图4为单个二维测量单元的一种具体实施方式的结构图；

图5为单个二维测量单元测量结果分析示意图；

图6为单个二维测量单元几何关系图；

图7为单个二维测量单元标定示意图；

图8来流空间测量原理图；

图9为阵列实施测量的坐标示意图；

图10为单个二维测量单元的第二种具体实施方式的结构图。

图11为单个二维测量单元的第二种具体实施方式的测量原理图。

图12(a)为单个二维测量单元的第二种具体实施方式的光斑定位图；图12(b)为光斑中心的示意图。

图13为单个二维测量单元的第三种具体实施方式的结构图。

图14为单个二维测量单元的第三种具体实施方式的测量原理图。

图15a为单个二维测量单元的第三种具体实施方式的压电原理图，图15b为由x、r、三个方向组成的圆柱坐标轴示意图。

图中，1至3分别为第一至第三测量单元，4为三维测量基座，5为测杆，6为连接柱，7为弹性阻尼体，8为底座，9为弹性导线，10为二维PSD位置传感器，11为PSD传感器承载板，12为信号线，13为数据处理器，14为电路板支座，15为信号传输接口，16为调速电机，17为直线导轨，18为拉绳，19为载物台，20为水槽，21为水，22为激光发射准直系统，23为导光管，24为光学透镜，25为光学定位传感器，26为定位栓，27为光源发射模块，28为光学透镜固定支座，29为光学定位传感器固定支座，30为压电纤维束，31为上压电集电极，32为上压电集电极输出导线，33为下压电集电极，34为下压电集电极输出导线。

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。

本发明实施例中为测量三维流动信息，如图1,2所示，采用了第一至第三测量单元1、2、3组成了空间测量机构,建立如图3所示的空间直角坐标系，三个测量单元沿空间直角坐标系的三个坐标轴安装，集中安装在三维测量基座4上，空间坐标系的原点为三个测量单元的中心轴线的交点，三维测量基座4为正方体结构，三个相邻面分别安装有一个二维测量单元，形成空间阵列，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，三维测量基座4的另外三个空余的面可供测量时支撑机构定位安装使用。三维测量基座4内安装有单片机。每个二维测量单元可以测量与其底座8所在平面相平行的二维流动信息，并提供给单片机。单片机通过三个测量单元测量结果的合成可得到三维的流动信息。

(1)实施例中单个二维测量单元测量流体二维信息的原理为：

如图4所示，测杆5固定在连接柱6上，测杆5可由硬度超过邵氏A75的树脂、高硬度聚氨酯等韧性材料做成，可以对流体运动的冲击做出反应，带动与测杆5固定连接的连接柱6实现同步运动。连接柱6采用铝合金、铜等金属材料做外壳，硬度较大，可视为刚体，其上端与测杆5固定连接，其中间部分与弹性阻尼体7固定连接，其下端穿过弹性阻尼体7深入到底座8的内部空间，连接柱6将流体对测杆5的冲击作用转换为自身的同步运动。实施例中的弹性阻尼体7采用了中心轴对称几何结构，以使得弹性阻尼体7在受到大小相同的轴向作用力时产生的阻尼作用各个方向相同，可采用聚氨酯、硅胶等材料制作，硬度在邵氏A40到60之间，弹性模量在3MPa以上，实施例中采用邵氏硬度为邵氏A52，弹性模量为3.5MPa硅胶，可及时准确反应测杆5受到一定流速流体的作用效果。在底座8外壳顶端预留有相应的槽口，可完成对弹性阻尼体7的固定，并完成对底座8的密封。弹性阻尼体7与连接柱6固定连接，使得连接柱6与弹性阻尼体7可随测杆5的运动而运动，且以弹性阻尼体7的中心轴线为轴具有各向同性，即对来自各个可能方向的等速度水流的冲击的作用效果均等一致，并在流体运动消失或流速下降时，在弹性阻尼体7的粘弹性及回弹性作用下实现位置的恢复，可准确及时反映流体流速及流向的变化，弹性阻尼体7表现出的阻尼作用与流体冲击方向相反，构成以弹性阻尼体7的中心为支点的弹性杠杆机构，从而连接柱6的运动方向与流体运动方向相同。在底座8内部，连接柱6内固定安装有激光发射准直系统22，激光发射准直系统22主要包括激光光源和准直系统，光源可采用激光二极管等微小光源，以光束直径不超过1mm的激光打在二维PSD位置传感器10上，光束的运动在二维PSD位置传感器10上不断记录下来，通过数据处理器13处理后得到激光光束中心的运动路径及方向，进一步可得到激光光束的偏转角度，二维PSD位置传感器10固定在PSD传感器承载板11上，数据处理器13通过电路板支座14固定在底座8内，由信号传输接口15引来的电源线转接数据处理器13，再通过弹性导线9为连接柱6内的激光发射准直系统供电，测量信号经数据处理器13处理后，通过信号转接口15传出到三维测量基座4内，用于最后的测量结果处理。通过建立激光光束偏转角度与流体运动速度的关系，可以进一步得到流体的二维流动速度和方向。

测杆5在流体的冲击作用下产生偏移运动，弹性阻尼体7约束测杆5的运动，使得二维测量单元可简化为弹簧-惯量-阻尼模型，其中，θ为流速为v的流体冲击测杆5使其偏转的角度，F为流体的冲击力，又称拖曳力，L₁为从测杆5顶端到弹性阻尼体7中心的长度，L₂为从弹性阻尼体7的中心到达连接柱底端的长度，c₁、c₂分别为弹性阻尼体7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7简化模型中扭转刚度系数和拉伸刚度系数，J为测杆5的转动惯量。

该模型的二阶传递函数为：

s是传递函数的参变量。

流速为v的流体冲击测杆5产生的拖曳力F大小为：

其中，ρ为流体密度，v为流体速度，A为流体在测杆5上的作用面积，C为测杆5的拖拽力系数。

在流体对测杆5冲击中，不考虑流体方向变化瞬间产生的作用，考虑测杆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：

联立式(2)(3)，得流体流速v为：

即流速v与测杆5的转角θ之间具有关系：

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(5)扩展为

其中，m,n作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,n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7所示，在水槽20中放置一定量的水17，水保持静止。水槽20上方架设直线导轨17，直线导轨17上安装有可滑动的载物台19，通过拉绳18，载物台19与调速电机16连接在一起，调速电机16转动，卷动拉绳18，使载物台19朝向调速电机16的方向移动，载物台19下部安装有本发明所述的测量装置，装置的底座8固定在载物台19上，保证测杆5全部深入水里，同时底座8不影响滑行中水面的变化。标定时，载物台19与测杆5在直线导轨17上远离调速电机16的一端，静水中，启动调速电机16并使其始终保持在一个速度，使得拉绳18拉动载物台19及测杆5以一个定速v移动，通过本发明的装置测量得到测杆5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16的速度，重复上述步骤，记录下对应的测杆5偏转角度的值，得到多组数据，采用曲线拟合的方法，即可得到式(6)的系数m,n的具体值。

测量时，连接柱6内的激光束的运动极限不能超出二维PSD位置传感器10的有效测量区域，光束的极限位置对应的光束最大偏转角，也对应测杆最大偏转角，也即是装置的最大测速对应的偏转角。如图5所示，建立以二维PSD位置传感器10的中心为原点O的直角坐标系，该点O同时应为连接柱6发出的激光束在测杆5自然静止垂直且不受除重力外的任何外力时在二维PSD位置传感器10的中心，确定原点后，进一步确定二维坐标轴的横轴和纵轴，确定的坐标轴分别与二维PSD位置传感器10的四个边分别平行。测量开始后，二维PSD位置传感器10记录下激光光束中心位置的瞬时坐标为点M的坐标(x_t,y_t)，根据如图6所示的几何关系，P为测杆5偏转时弹性阻尼体7的内部支点，PO为该支点到达二维PSD位置传感器中心的距离，矢量的大小即矢径ΔPOM为直角三角形，且∠POM为直角，∠OPM为测杆5的偏转角θ，得到偏转角θ与坐标点的关系式为：

即，

代入式(6)，得到当前的流速值v。

(2)实施例中，由三个二维测量单元构成的空间测量机构的测量原理与方法为：

如图8，9所示，每个二维测量单元底座内的二维PSD位置传感器10所在平面与对应坐标面平行，且在传感器测量平面内建立的直角坐标系与空间直角坐标系的各坐标面分别对应。

如图8所示，空间来流以速度v_test冲击空间测量机构，三个二维测量单元的测杆5均受到冲击，在三个坐标面上，速度v_test的分量分别为v_x、v_y、v_z，分别是沿空间直角坐标系的x轴、y轴、z轴布置的第三二维测量单元3、第二二维测量单元2、第一二维测量单元1所测结果。即在第三二维测量单元3上瞬时速度为矢量v_x，第二二维测量单元2上瞬时速度为矢量v_y，第一二维测量单元1上瞬时速度为矢量v_z，且v_x、v_y、v_z分别为来流v_test在三个坐标面上的投影，其大小可由三个二维测量单元测量得到。

从空间几何学上分析，如图8所示，虚线部分构造出了一个长方体，长方体的体对角线即为来流速度v_test的大小，记矢量v_test在三坐标轴上的投影坐标为(a,b,c)，即a,b,c为图8中虚线部分长方体的三个边的边长，三个面的对角线即为来流在三个坐标面上的投影分量v_x、v_y、v_z，对角线的长度则对应各二维测量单元底座8内的二维PSD位置传感器10所测量的激光束光斑中心运动位置矢径值。则根据空间几何学理论，由勾股定理得到：

|v_x|²＝b²+c² (9)

|v_y|²＝a²+c² (10)

|v_z|²＝a²+b² (11)

|v_test|²＝a²+b²+c² (12)

则，有

即为所测三维流体的速度大小。

同理可得：

2a²＝|v_y|²+|v_z|²-|v_x|² (14)

2b²＝|v_x|²+|v_z|²-|v_y|² (15)

2c²＝|v_x|²+|v_y|²-|v_z|² (16)

则，来流的速度矢量在空间直角坐标系中的坐标(a,b,c)满足：

下面确定速度矢量坐标值的符号：

建立了空间直角坐标系后，如图9所示，将空间坐标系的原点投影到三个二维测量单元的底座8内的二维PSD位置传感器10所在平面上，其中，面y₁O₁z₁表示第一二维测量单元1的测量平面，O₁为该平面原点，面x₂O₂z₂表示第二二维测量单元2的测量平面，O₂为该平面原点，面x₃O₃y₃表示第三二维测量单元3的测量平面，O₃为该平面原点，来流矢量v_test投影到三个成像平面上的矢量为O₁M₁，O₂M₂，O₃M₃，在三个成像平面内，其坐标分别为M₁(Δ,y₁',z₁')，M₂(x₂',Δ,z₂')，M₃(x₃',y₃',Δ)，Δ为每个测量平面距离空间直角坐标系原点的距离，理论上，这三个坐标值的对应坐标轴的值应该相等，即

y₁'＝y₃' (20)

z₁'＝z₂' (21)

x₂'＝x₃' (22)

实际上，由于每个二维测量单元的差异性，上述对应值不一定相等，但并不影响测量计算的最终结果，需要在测量前按照前述方法标定好每个二维测量单元的函数关系式(6)，对应的速度的理论值应相等，则最终矢量合成结果可靠有效。

瞬时测量时，根据三组测量平面坐标值(Δ,y₁',z₁')，(x₂',Δ,z₂')，(x₃',y₃',Δ)，即可判断得到(a,b,c)的取值符号：

若x₂'≥0且x₃'≥0，

若x₂'＜0且x₃'＜0，

若y₁'≥0且y₃'≥0，

若y₁'＜0且y₃'＜0，

若z₁'≥0且z₂'≥0，

若z₁'＜0且z₂'＜0，

若其中出现两两的乘积x₂'x₃'＜0或y₁'y₃'＜0或z₂'z₁'＜0，表明来流冲击方向已经导致二维测量单元的测杆5发生了振颤，可能导致测杆5损坏或失效，或来流超出测量范围，需进行检查，更改装置相关零部件以保证测量准确有效。

在三维测量基座4内，安装有单片机，依据式(23)到(28)6个判别式判断处理后，将空间测量结果即来流的速度矢量在空间直角坐标系中的坐标(a,b,c)处理并输出。

进一步的，所述测杆结构是仿海豹的触须，如图4所示，其他只要能达到防止卡门涡街产生的效果的波浪状结构皆可。

进一步的，所述三维测量基座4可以安装转动调姿机构，测量时，可调整空间测量机构的姿态，得到需要的测量方位。

进一步的，所述测杆5偏转测量可采用其他方式，比如应变片方式、可变电容式、弯曲传感器式等结构，只要能测量二维流动信息的均可。

实施例中，三个二维测量单元关于式(6)标定后的关系分别为：

第一二维测量单元的流速v₁与角度θ₁关系式为

第二二维测量单元的流速v₂与角度θ₂关系式为

第三二维测量单元的流速v₃与角度θ₃关系式为

则装置的速度测量范围为0-20m/s，精度0.001m/s。

测向范围为三维全空间。

二维测量单元也可以采用其它结构实现，第二种结构如图10所示，测杆5可以为柱状，实施例中采用了圆柱状结构。

底座8为空心结构，其上盖板上固定安装有弹性阻尼体7。

连接柱6一端包裹在测杆5底端的内部，另一端穿过弹性阻尼体7中心位置并位于底座8内部，且连接柱6中部固定在弹性阻尼体7上，定位栓26将弹性阻尼体3的边缘固定在底座8上部。连接柱6的底端安装有光源发射模块27，实施例中采用发光二极管。光源发射模块27发出的光是散射光，经过内径在0.5mm以内的导光管23导出，导光管23中心轴线与测杆5的中心轴线重合，与测杆5同步运动，但沿弹性阻尼体7的中心方向相反，导光管23采用准直不变形的高硬度材料制作，实施例中的导光管23内径0.5mm，采用壁厚0.1mm的钛毛细管。光学定位传感器25安装在底座8内，并位于导光管23的下方，在导光管23和光学定位传感器25之间设置有光学透镜24。

光学定位传感器25用于定位位于测杆5底部光源的移动位置。光源发射模块27发出的光束通过导光管23投射到光学透镜24上，光学透镜24对其聚光，在光学定位传感器25上生成一个亮度均匀并集中的光斑。

数据处理器13与光学定位传感器25电信号连接，它接收光学定位传感器25提供的光斑中心的坐标信息，即可得到当前测杆5偏离静止位置的角度。

导光管23发出的光与光学透镜24、光学定位传感器25组成光斑成像测量系统。

在底座8内部，如图11所示，测杆5低端的导光管23发出的光线，通过光学透镜24折射后，在光学定位传感器25上成像，得到光斑，点A为测杆5围绕弹性阻尼体7扭转的中心，点B为导光管23的中心，点C为光学透镜24中心轴线与其过B点的垂线相交的点，点D为光学透镜24的中心，点E为光学定位传感器25上的光斑的中心，点F为光学透镜24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7中心点距离光学透镜24中心的距离，记为L_AD，DF长度即为光学透镜24中心到光学定位传感器25的距离，记为L_DF，EF长度即为光学定位传感器25上的光斑中心与光学定位传感器25中心的距离，记为R_stet，∠BAC为待测的测杆5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， (29)

AC＝L₂cosθ， (30)

BC＝L₂sinθ， (31)

CD＝AD-AC＝L₂-L₂cosθ，(32)

联立式(31)(32)(33)，得到

根据三角函数关系，得到

即为测杆5偏转的角度θ，式中，R_test为光学定位传感器25上的光斑中心与光学定位传感器25中心的距离，L_DF为光学透镜24中心到光学定位传感器25的距离。

将式(35)代入标定后的式(6)得到对应的流速值v。

本实施例装置的光斑定位方法为：

以图像处理、矢量运算为方法，其中，光学定位传感器25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12(a)所示，如图5所示，光学定位传感器25的成像结果为矩形，建立以光学定位传感器25的中心为原点O的坐标系，光学定位传感器25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

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，找到测杆5在仅受重力作用下，静止位置的导光管23在光学定位传感器25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25的分辨率，使坐标轴与光学定位传感器25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12(a)的光斑中心为如图12(b)所示，对应点的坐标为(-229.9705，53.0432)。

测量时，测杆5在水流冲击下发生偏转，导光管23随测杆5的运动而运动，光学定位传感器25测得导光管23的光斑在某一时刻的位置信息后，即根据数据处理器13，得到经导光管23的光斑中心在光学定位传感器25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23在光学定位传感器25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25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(35)中的R_test。

二维测量单元也可以采用如图13所示的第三种结构实现。本实施例提供的测量装置包括测杆5、压电纤维束30，激光发射准直系统22，弹性阻尼体7，底座8，二维PSD(Position Sensitive Detector)位移传感器10，PSD传感器承载板11，数据处理器13，上压电集电极31，以及下压电集电极33。

弹性阻尼体7安装在底座8上，测杆5安装在弹性阻尼体7上，测杆5与弹性阻尼体7采用同一种弹性材料，一体成型，弹性模量在2.5MPa以上，硬度在邵氏A40-60之间。测杆5内安装有压电纤维束30和激光发射准直系统22，压电纤维束30位于测杆5内部中心轴线区域，压电纤维束30的长度优选为测杆5总长的3/4左右，压电纤维束30上端安装有上压电集电极31。压电纤维束30下端安装有下压电集电极极14，并固定在激光发射准直系统22的外壳上。上压电集电极31和下压电集电极33，负责收集压电纤维两端产生的电荷两个电极极性相反，从而形成电压差。

激光发射准直系统22下端穿过弹性阻尼体7进入到底座8内部，激光发射准直系统22负责发射准直的激光光线。实施例中，底座8内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间，呈放射状的目的是为了配合激光的运动。

底座8空腔内固定安装有二维PSD位置传感器10、PSD传感器承载板11和数据处理器13。

PSD传感器承载板11与数据处理器13采用层叠安装，中间用电路板支座14连接并固定在底座8的底面，底座8的底面中心安装有信号传输接口15。信号传输接口15用于传输数据，还用于为数据处理器13、激光发射准直系统22、PSD传感器承载板11提供电源。

数据处理器13通过上压电集电极输出导线32与上压电集电极31连接，通过下压电集电极输出导线34与下压电集电极33连接，获得压电纤维束30的压电电压信号，并计算得到液体的流速。

二维PSD位置传感器10用于接收激光发射准直系统22出射的激光束，二维PSD位置传感器10发生光电反应，将电信号输入到PSD传感器承载板11。PSD传感器承载板11负责将二维PSD位置传感器10发出的测量信号放大并传输到数据处理器13进行处理。数据处理器13利用该测量信号得到光斑中心的坐标值，计算得到流体的流向。

数据处理器13主要采用单片机等智能芯片处理测量数据并输出给外部设备。

本实例中激光发射准直系统22要保证经准直后的出射激光束到达二维PSD位置传感器10产生的光斑直径足够小，一般应小于1mm，以提高测量精度。

数据处理器13输入经PSD传感器承载板11放大后的测量信号并对其进行处理，最后将结果输出。数据处理器13包括信号输入接口，模拟数字信号转换单元，单片机，以及信号输出接口等。单片机是主要信号处理元件，从二维PSD位置传感器10输出的光斑位置信号经信号输入接口和模拟数字信号转换单元放大并模数转换后，输入到单片机中运算，得到光斑的位置坐标，再经信号输出接口输出。单片机可以是51单片机，可以是PIC单片机，或者其它的等等，只要能实现数字运算并有多路输入输出即可，将光斑位置信息获取后，采用本实施例的测量方法计算得到流速方向值和速度值。

本实施例所提供的压电测速方法如下：

如图14所示，在流水冲击下，压电纤维束30发生扭转弯曲，产生压电信号，压电纤维束30两端的集电极分别产生电荷，并形成压差，产生压电电压信号V，也就是压电纤维束30的表面电压V_p，随着流速v的增加，压电纤维束30弯曲程度增大，压电信号变强，电压信号V也增加，并使得包含有压电纤维束30及激光发射准直系统22的测杆5持续发生偏转，激光发射准直系统22发出的激光方向也持续偏转，在二维PSD位置传感器6上的光斑位置也持续偏转，且光斑的偏转方向与流体冲击的方向恰好相反，反之，随着流速v的减小，压电纤维束30弯曲程度减小，压电信号变弱，电压信号V也减小，在弹性阻尼体7的作用下，仍然使得包含有压电纤维束30及激光发射准直系统22的测杆5持续发生偏转，但偏转量逐渐减少，直到流体速度降为零，测杆5回复到初始位置，激光发射准直系统22发出的激光方向也回复到初始位置，为二维PSD位移传感器的中心。这样，测量激光光斑在二维PSD位置传感器上的位置坐标，即可得到对应的流体流动方向，即本发明中的光电测量方法；建立压电电压信号V与流速v的关系式，测量压电电压信号V的大小，即可得到对应的流体流速的大小。

本实施例采用压电技术方法，建立压电电压信号V与流速v的关系式的具体步骤是：

1.流体流速与测杆5受力形变之间的关系为：

流体对测杆5冲击施加的力

其中，ρ为流体密度，v为流体速度，A为流体在测杆5上的作用面积，C_d为作为测杆5的拖拽力系数。

2.测杆5受力产生弯矩M为

其中，l为测杆5的长度。

3.测杆5与压电纤维束30组成的整体同时弯曲变形后，具有以下关系：

M＝M_p+M_sm (39)

其中，M_p为压电纤维束30所受弯矩，M_sm为测杆5所受弯矩，E_p、I_p分别为压电纤维束30的弹性模量、惯矩，E_sm、I_sm分别为测杆5的弹性模量、惯矩，ξ为整体的曲率半径，M为整体的弯矩。

4.联立式(37)(38)(39)(40)，

得压电纤维束30所受弯矩M_p为：

得压电纤维束30弯曲的曲率ξ为

5.参考图15a、15b，建立由x、r、三个方向组成的圆柱坐标轴，其中，x轴垂直于截面方向，r轴为过压电纤维束30截面圆心指向半径方向，为圆周方向，得到压电纤维束30的应变s为

6.得到压电纤维束30的电位移D为：

其中，d_p为压电纤维束30的压电常数。

7.压电纤维束30表面的电荷数Q_p为

其中，r_p为压电纤维束30截面半径。

8.反解式(45)，得流体流速v为

其中，Q_p为压电纤维束30产生的电荷数。

测得压电纤维束30产生的电荷数Q_p，即可通过式(46)计算得到流体的流速v。

进一步的，由于压电纤维束30自身产生电荷量Q_p，导致其表面电压V_p变化，两者之间具有关系

其中，C_s为压电纤维束30本身静电容量，可以通过测量压电纤维束30的表面电压V_p得到相应的电荷量Q_p。

联立式(46)(47)，得到

式中，v为流体速度，V_p为压电纤维束30的表面电压，C_s为压电纤维束30本身静电容量，E_p、I_p分别为压电纤维束30的弹性模量、惯矩，E_sm、I_sm分别为测杆5的弹性模量、惯矩，d_p为压电纤维束30的压电常数，ρ为流体密度，A为流体在测杆5上的作用面积，C_d为作为测杆5的拖拽力系数，l为测杆5的长度，r_p为压电纤维束30截面半径。

即得到，一般地，流速v与电压V_p具有如下函数关系

(49)

进一步的，为提高准确度，实施例中将关系式(49)扩展成为：

a,b为权值系数，具体可通过标定获得。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V_p的其它形式表达式，

在实际应用中，为了得到式(50)中准确的系数，可以通过直接对置入测杆5内的压电纤维束30进行标定，得到流体速度与压电纤维束30产生电压的关系，可以采用静水标定法，也可采用射流法。本实例中采用了静水标定法，如图7所示：

在水槽20中放置一定量的水21，水保持静止。水槽20上方架设直线导轨17，直线导轨17上安装有可滑动的载物台19，通过拉绳18，载物台19与调速电机16连接在一起，调速电机16转动，卷动拉绳18，使载物台19朝向调速电机16的方向移动，载物台19下部安装有本发明所述的测量装置，装置的底座8固定在载物台19上，保证测杆5全部深入水里，同时底座8不影响滑行中水面的变化。标定时，载物台19与测杆5在直线导轨17上远离调速电机16的一端，静水中，启动调速电机16并使其始终保持在一个速度，使得拉绳18拉动载物台19及测杆5以一个定速v移动，通过本发明的装置测量得到压电纤维束30产生的瞬时电压V_p，记录下定速v与电压V_p，不断调整调速电机16的速度，重复上述步骤，记录下对应的压电纤维束30产生的电压值V_p，得到多于10组的数据，依照式(50)的函数形式开展曲线拟合，即可得到式(50)的系数a,b的具体值，也可通过对标定时测量得到的多组数据进行曲线拟合，得到其他形式的关系式。

进一步的，通过采用不同的压电纤维束30的材料及数量，达到测量环境对压电纤维束30所需要的弹性模量，可以得到不同的系数a,b，从而扩展了装置的测量范围。理论测量范围可以达到0-50m/s。

本实施例采用光电技术方法，得到流体流向在测量平面投影矢量方向的具体步骤是：

功率在mW级的激光二极管17发射激光，到达准直透镜18，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，照射在二维PSD位置传感器10上。水流冲击测杆5后，测杆5发生偏转，带动激光发射准直系统22也发生偏转，偏转方向与水流运动方向相反，激光发射准直系统22发出的激光束在二维PSD位置传感器10上的光斑也发生移动，该光斑相对静止位置的二维PSD位置传感器10中心的方向也与水流运动方向相反。建立如图5所示的直角坐标系，初始时刻，没有水流的冲击作用，测杆5垂直于底座8的底面，激光光斑在二维PSD位置传感器10的中心位置，作为坐标系的原点，此时流体速度为0，如图5所示，记该初始点为原点O，建立直角坐标系，使得坐标系的x轴，y轴分别与二维PSD位置传感器10的平面坐标系对应轴重合。

开始测量后，二维PSD位置传感器10接收激光束产生的电信号，并经过PSD传感器承载板11、数据处理器13处理，得到激光光斑在二维PSD位置传感器10上的光斑坐标值为直角坐标系中M点的坐标(x_t,y_t)，该坐标值相对于原点及坐标轴而言，随流体冲击作用构成矢量变化，该矢量的方向即与流体流动方向恰好相反，即测得流体的当前运行方向与底座8在的平面相平行的二维平面上，方向为矢量的逆方向，即对应坐标(-x_t,-y_t)的矢量的方向，图5中为虚线箭头方向。

本发明也可以将各数据处理器的功能统一由单片机来完成。

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 (9)

1.一种测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，该装置包括单片机和三个二维测量单元，各二维测量单元均安装在三维测量基座上，三个二维测量单元中心轴线两两互相垂直，每个二维测量单元用于测量流体一个平面的二维流动信息；单片机利用各二维流动信息合成得到三维流动信息；所述二维测量单元均包括测杆、连接柱、弹性阻尼体和底座；所述底座为空腔结构，弹性阻尼体采用中心轴对称几何结构，以使得弹性阻尼体在各个方向产生的阻尼作用相同，弹性阻尼体安装在底座顶部；连接柱上端与测杆固定连接使测杆和连接柱能够同步运动，连接柱中间部分与弹性阻尼体固定连接，使得连接柱与弹性阻尼体能够随测杆一同运动，连接柱下端穿过弹性阻尼体伸入到底座的内部空间，连接柱用于将流体对测杆的冲击作用转换为自身的同步运动。

2.根据权利要求1所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述二维测量单元还包括二维PSD位置传感器、激光发射准直系统和数据处理器；

所述激光发射准直系统固定安装在连接柱的底部内，其发射光路上安装有二维PSD位置传感器，数据处理器与二维PSD位置传感器电信号连接，数据处理器用于接收二维PSD位置传感器提供的光斑中心的坐标信息，计算得到流体二维流速和流向，并提供给所述单片机。

3.根据权利要求2所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，各所述数据处理器利用式I或式II计算流体流速分量v：

k₁、k₂分别为弹性阻尼体的扭转刚度系数和拉伸刚度系数，L₂为从弹性阻尼体的中心到达连接柱底端的长度，θ为测杆偏转的角度，ρ为流体密度，A为流体在测杆上的作用面积，C为测杆拖拽力系数；

m,a为装置的标定系数。

4.根据权利要求1或2中所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，设x轴、y轴、z轴布置的二维测量单元所测量得到的流速分量分别为v_x、v_y、v_z，速度v_test为：

<mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>y</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>z</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> </mrow>

设速度矢量v_test在三坐标轴上的投影坐标为(a,b,c)，三组测量平面的坐标值分别为(Δ,y₁',z₁')，(x₂',Δ,z₂')，(x₃',y₃',Δ)，Δ为每个测量平面距离空间直角坐标系原点的距离；按下述方式判断(a,b,c)的取值符号：

若x₂'≥0且x₃'≥0，

若x₂'＜0且x₃'＜0，

若y₁'≥0且y₃'≥0，

若y₁'＜0且y₃'＜0，

若z₁'≥0且z₂'≥0，

若z₁'＜0且z₂'＜0，

5.根据权利要求4所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，若其中出现两两的乘积x₂'x₃'＜0或y₁'y₃'＜0或z₂'z₁'＜0，表明来流冲击方向已经导致二维测量单元的测杆发生了振颤，可能导致测杆损坏或失效，或来流超出测量范围。

6.根据权利要求2中所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述测杆的结构为仿海豹的触须或者其它任一能够防止卡门涡街产生的波浪状结构；所述三维测量基座安装有转动调姿机构，以得到需要的测量方位。

7.根据权利要求2中所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述测杆采用硬度超过邵氏A75的韧性材料，所述弹性阻尼体采用硬度在邵氏A40到60之间，弹性模量在3MPa以上的材料制作。

8.根据权利要求7所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述韧性材料为树脂或高硬度聚氨酯。

9.根据权利要求2中所述的测量流体三维流动信息的装置，其特征在于，所述单片机负责对所述二维测量单元的数据进行处理，完成各数据处理器的任务，替代各二维测量单元内的数据处理器。