CN104237555B - 一种气流流速流向实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气流流速流向实时监测装置，该装置包括气流杆，连接柱，关节轴承、底座，多个拉伸弹簧，二维PSD位移传感器，以及数据处理器，连接柱内设有激光驱动模块、激光二极管和准直透镜；工作时，气流杆在气流的推动下发生偏转，带动连接柱沿关节轴承内球的中心发生转动，并朝向与气流流动相同的方向；连接柱内的激光二极管发射的激光，到达准直透镜，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，通过导光孔投射到二维PSD位移传感器，二维PSD位移传感器得到光斑中心的位置信息，并提供给数据处理器；数据处理器根据光斑中心的位置信息计算得到气流速度和方向。本发明结构简单，稳定性好，对气流扰动小。

Description

一种气流流速流向实时监测装置

技术领域

本发明属于气流测量领域，涉及一种气流流速流向实时监测装置，具体是采用光电技术实现实时测量气流的流速和流向。

背景技术

在一些特殊环境的气流测量领域，如湿度较大的水汽两相流、海面气象监测预告、风洞实验室、高空高速气流监测等，以及其他一些需要实时监测气流流速流向等流场信息的情况，目前主要采用成像测量方法或旋转测量法，但由于成像测量受限于被测区域体积的限制，并受制于环境的透光度等因素的影响，不能用于大面积、复杂曲面、不规则空间的环境的气流流场的监测，旋转测量法机构构型较大，安装复杂，不适于复杂表面等特殊环境的测量。

发明内容

为了解决现有技术上的问题，本发明提出了一种气流流速流向实时监测装置，该装置具有结构简单，稳定性好，对气流扰动小的特点。

本发明提供的一种气流流速流向实时监测装置，其特征在于，该装置包括气流杆，连接柱，关节轴承、底座，n个拉伸弹簧，二维PSD位移传感器，以及数据处理器；n取值范围为3至8；

气流杆为空心封闭圆柱状，并固定在连接柱上，气流杆和连接柱中心轴线重合，关节轴承为由关节轴承内球和关节轴承外环构成的自润滑关节轴承；连接柱穿过并固定在关节轴承内球上，连接柱的中心位置与关节轴承内球的球心重合，关节轴承外环固定在底座的顶端，连接柱下端安装n个固定环，n个固定环均匀分布在连接柱下端，并分别与n个相同的拉伸弹簧的一端相连，n个拉伸弹簧的另一端分别与底座的内壁固定相连，并呈均匀分布；

连接柱内设有激光驱动模块、激光二极管和准直透镜，激光二极管安装在套管的上部，并与位于套管的顶端的激光驱动模块电连接，准直透镜安装在套管的下部，套管底端设有导光孔，二维PSD位移传感器固定在导光孔下方，二维PSD位移传感器与数据处理器电信号连接，信号传输接口的一端与数据处理器电连接，另一端伸出至底座外；

工作时，气流杆在气流的推动下发生偏转，带动连接柱沿关节轴承内球的中心发生转动，并朝向与气流流动相同的方向；连接柱内的激光二极管发射的激光，到达准直透镜，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，通过导光孔投射到二维PSD位移传感器，二维PSD位移传感器得到光斑中心的位置信息，并提供给数据处理器；数据处理器根据光斑中心的位置信息计算得到气流速度和方向。

作为上述技术方案的改进，数据处理器按照式I和式II计算获得气流流速流向：

平面投影坐标为P(x,y)，L为气流杆的长度，l为连接柱的长度，ρ为气体密度，A为气流在气流杆上的作用面积，C_d为作为气流杆的拖拽力系数，i表示拉伸弹簧的序号，i的取值为1,2,3,…,n，f_ix表示拉伸弹簧i的拉力在x轴上的分量，f_iy表示拉伸弹簧i的拉力在y轴上的分量；

气流速度v为：

设激光光斑的中心位置为P_psd(x_t,y_t)，O_psd为气流杆在静止位置未受气流冲击情况下连接柱的中心轴线在二维PSD位移传感器测量平面的投影；流动方向同向量相反，即以直角坐标系x′O_psdy′的x′轴正向为起始边，夹角θ为

本发明装置结构简单，稳定性好，对气流扰动小，它采用光电定位技术测量气流的流速和流向，可以得到与监测装置底座平面平行的二维气流信息，实施例中的装置在最大偏转角15°的情况下，可测得最大120m/s的气流速度，理论测量范围为0-100m/s，精度为1m/s，对于气流运行角度的测量可以实现0°-360°的测量。

本发明装置可以实时监测单点的气流信息，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，实时监测环境中的气流流场变化情况。

本发明可以使用于海岸、海岛、山地等测量空间较大范围的气流的测量，对于其他环境的测量可以根据具体环境更改装置的具体尺寸、装置零部件的具体参数，相应的测量范围、测量精度也会发生变化，但测向的范围均在二维测量平面内的0-360度，本发明具有良好的环境适应性。

附图说明

图1为本发明提供的监测装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为监测装置静止位置的投影图；

图3为图1中连接柱内部结构示意图；

图4为在弹簧平面建立的直角坐标图；

图5为PSD二维位置传感器测量平面坐标图；

图6为连接柱偏转机构剖面测量原理图，其中，(a)为监测装置偏转局部结构图，(b)为几何关系放大示意图；

其中，1为气流杆，2为连接柱，3为关节轴承内球，4为关节轴承外环，5为底座，6为导光孔，7为拉伸弹簧，包括701,702,703,704四个，8为固定环，9为二维PSD位移传感器，10为数据处理器，11为支架，12为连接柱供电导线，13为PSD传感器信号线，14为信号传输接口，15为激光驱动模块，16为激光二极管，17为准直透镜，18为铜质散热管，19为不锈钢套管。

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。

本发明提供的测量气流流速流向的装置采用杠杆原理。下面以4个拉伸弹簧为例具体说明本发明的结构。

如图1、图2所示，本发明实例提供的监测装置主要包括气流杆1，连接柱2，关节轴承、底座5，拉伸弹簧7，二维PSD位移传感器9，以及数据处理器10。

气流杆1固定在连接柱2上，实施例中，气流杆1采用铝合金制作的空心封闭圆柱，下端固定在连接柱2上，保持两个柱状体中心轴线重合，连接柱2采用不锈钢外壳制作，穿过并固定在关节轴承内球3上，连接柱2的中心位置与关节轴承内球3的球心重合，采用自润滑关节轴承，从而减小摩擦力，延长使用寿命，关节轴承外环4固定在底座5的顶端，连接柱2下端安装四个固定环8，这四个固定环8均匀分布在连接柱2下端的四周，并与四个相同的拉伸弹簧7相连，四个拉伸弹簧7的另一端分别与底座5的内壁固定相连，并呈均匀分布，静止时，不受气流的作用，四个拉伸弹簧701,702,703,704同时对连接柱2作用，作用力大小相等，方向不同，将其固定在关节轴承外环4的中心轴线位置，使其相邻两个的中心轴线夹角为直角，在气流的推动下，气流杆1发生偏转，带动连接柱2沿关节轴承内球3的中心发生转动，并朝向与气流流动相同的方向，在杠杆原理作用下，与连接柱2相连的四个拉伸弹簧7阻止该转动，直到气流作用力F₁与四个拉伸弹簧7作用的合力F₂在杠杠原理作用下达到平衡。气流杆1长度为L，连接柱2长度为l，则以关节轴承中心为支点的两个作用杆的力臂长度分别为及不考虑关节轴承的摩擦，由杠杆平衡原理得到

$F_1\left(\frac{1}{2}\right(L+\frac{1}{2}l\left)\right)=F_2\left(\frac{1}{2}l\right),$

即

$F_1(L+\frac{1}{2}l))=F_{2}l---\left(1\right)$

根据流体力学，气流作用力F₁为

$F_1=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2{\mathrm{AC}}_d---\left(2\right)$

其中，ρ为气体密度，v为气流速度，A为气流在气流杆1上的作用面积，C_d为作为气流杆1的拖拽力系数。

下面计算弹簧作用合力F₂及其分量：

四个拉伸弹簧701,702,703,704采用相同规格，弹性系数为k，自由伸长时的原长均为x₀，与底座5内壁连接点分别即为A、B、C、D，记气流冲击后，各弹簧长度分别为x₁，x₂，x₃，x₄，建立如图4所示的直角坐标系xOy，坐标原点O是静止位置时，四个弹簧相同伸长Δx₀，连接柱2中心在弹簧平面的投影，x轴即是弹簧703与704在底座5内壁上的连接点的连线DB，y轴即是弹簧701与704在底座5内壁上的连接点的连线CA，则点A、B、C、D坐标分别为A(0,x₀+Δx₀)、B(x₀+Δx₀,0)、C(0,-x₀-Δx₀)、D(-x₀-Δx₀,0)，四个弹簧随连接柱2的偏转而移动，直到平衡时，由于连接柱2的长度较小，实施例中为1cm，受限于关节轴承的最大转角θ，实施例中为30度，则其移动范围并不大，可将4弹簧与连接柱2下端的固定环8移动的情况近似在同一个平面上，即弹簧平面与xOy平面重合，O为弹簧平面原点，连接柱2中心在弹簧所在平面投影坐标为P(x,y)，此时，点P在x轴，y轴上的投影分别为点N，点M，出现了四个直角三角形，分别为RtΔAMP、RtΔBNP、RtΔCMP、RtΔDNP，在这四个直角三角形中，分别按照勾股定理求解，得到4根弹簧的长度即为AP、BP、CP、DP的长度，分别为

$x_1=AP=\sqrt{x^2+{(x_0+{\mathrm{\Δx}}_0-y)}^2}---\left(3\right)$

$x_2=BP=\sqrt{y^2+{(x_0+{\mathrm{\Δx}}_0-x)}^2}---\left(4\right)$

$x_3=CP=\sqrt{x^2+{(x_0+{\mathrm{\Δx}}_0+y)}^2}---\left(5\right)$

$x_4=DP=\sqrt{y^2+{(x_0+{\mathrm{\Δx}}_0+x)}^2}---\left(6\right)$

则弹簧701,702,703,704的拉力分别为

$f_1=\left\{\begin{array}{c}k(x_1-x_0),(x_1>x_0)\\ 0,(x_1\≤x_0)\end{array}\right.---\left(7\right)$

$f_2=\left\{\begin{array}{c}k(x_2-x_0),(x_2>x_0)\\ 0,(x_2\≤x_0)\end{array}\right.---\left(8\right)$

$f_3=\left\{\begin{array}{c}k(x_3-x_0),(x_3>x_0)\\ 0,(x_3\≤x_0)\end{array}\right.---\left(9\right)$

$f_4=\left\{\begin{array}{c}k(x_4-x_0),(x_4>x_0)\\ 0,(x_4\≤x_0)\end{array}\right.---\left(10\right)$

各弹簧在x轴，y轴上的分量分别为：

$f_{1x}=-f_1\·\frac{x}{x_1}---\left(11\right)$

$f_{1y}=f_1\·\frac{x_0+\mathrm{\Δ}x-y}{x_1}---\left(12\right)$

$f_{2x}=f_2\·\frac{x_0+\mathrm{\Δ}x-x}{x_2}---\left(13\right)$

$f_{2y}=-f_2\·\frac{y}{x_2}---\left(14\right)$

$f_{3x}=-f_3\·\frac{x}{x_3}---\left(15\right)$

$f_{3y}=-f_3\·\frac{x_0+\mathrm{\Δ}x+y}{x_3}---\left(16\right)$

$f_{4x}=-f_4\·\frac{x_0+\mathrm{\Δ}x+x}{x_4}---\left(17\right)$

$f_{4y}=-f_4\·\frac{y}{x_4}---\left(18\right)$

则合力F₂在x轴的分量为：

$F_2\·\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}={\mathrm{\Σ}}_1^4{f}_{ix}---\left(19\right)$

联立上述各式式(1)(2)(19)，得到

气流流速

$v=\sqrt{\frac{4L\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\Σ}}_1^4{f}_{ix}}{(2L+l){\mathrm{\ρAC}}_{d}x}}---\left(20\right)$

则，如果能够测得点P(x,y)的坐标值，即可联立式(3)-(20)，计算得到气流流速值，气流流向即为向量的方向。

下面是本发明测量点P(x,y)的坐标值的方法和装置：

如图4所示，连接柱2内设有激光驱动模块15、激光二极管16和准直透镜17，激光二极管16安装在套管的上部，并与位于套管的顶端的激光驱动模块15电连接，准直透镜17安装在套管的下部。套管由铜质散热管18和不锈钢套管19构成，主要起散热和固定作用，套管底端设有导光孔6。二维PSD位移传感器9通过支架11固定在导光孔6下方，并通过PSD传感器信号线13与数据处理器10电信号连接。信号传输接口14的一端与数据处理器10电连接，另一端伸出至底座5外。通过信号传输接口14可以为二维PSD位移传感器9、激光驱动模块15、激光二极管16和数据处理器10供电。

功率在mW级的激光二极管16发射激光，到达准直透镜17，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，数据处理器10通过弹性的连接柱供电导线12为激光驱动模块15供电，实施例中采用导电橡胶作为连接柱供电导线12的材料，实施例中激光二极管16功率为20mW，经准直后激光束直径不超过1mm，导光孔6保证经准直后的出射激光束到达二维PSD位移传感器9产生的光斑直径足够小，不超过0.8mm，以利测量，实施例中，导光孔6直径0.8mm，光斑直径0.8mm，通过二维PSD位移传感器9得到光斑中心的位置信息。

以二维PSD位移传感器9的测量平面建立直角坐标系x′O_psdy′，其中，原点O_psd为气流杆1在静止位置未受气流冲击情况下连接柱2的中心轴线在二维PSD位移传感器9测量平面的投影，也是已经建立的弹簧平面直角坐标系xOy的原点O在PSD测量平面的投影，x′轴、y′轴也分别是x轴、y轴在PSD测量平面的投影。则，记测量得到的激光光斑的中心位置为P_psd(x_t,y_t)。

如图6所示，点O_bearing为关节轴承内球3的球心，当连接柱2在气流推动下绕点O_bearing偏转时，连接柱2中心在弹簧面的投影从点O移动到点P(x,y)，在PSD测量平面的位置从O_psd移动到P_psd(x_t,y_t)。

则点O_bearing到点O的距离为连接柱2长度l的一半为记点O到点O_psd距离为h，则由三角形相似原理，得到：

$\frac{\frac{l}{2}}{\frac{l}{2}+h}=\frac{x}{x_t}=\frac{y}{y_t}---\left(21\right)$

由二维PSD位移传感器测得点P_psd(x_t,y_t)的坐标，代入式(21)，记得到P(x,y)坐标为代入式(3)-(20)，即可求得气流速度值v，流动方向同向量相反，即以直角坐标系x′O_psdy′的x′轴正向为起始边，夹角θ为

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&pi;}+arctat\frac{y_t}{x_t},(x_t>0)\\ 2\mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{y_t}{x_t},(x_t<0,y_t>0or{y}_t=0)\\ \arctan \frac{y_t}{x_t},(x_t<0,y_t<0or{y}_t=0)\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},(x_t=0,y_t>0)\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{4},(x_t=0,y_t<0)\end{array}\right.---\left(22\right)$

进一步的，本发明的装置由于采用了关节轴承，是具有一定测量范围的，该范围一方面由弹簧的弹性系数及自然伸长时的长度决定，同时也由关节轴承的最大允许转角决定。为了不影响气流杆1和连接柱2在转动过程中的动作，所选弹簧的丝径、长度、拉钩尺寸以及连接柱2的下端截面直径以不影响机构在最大允许转角内的自由转动为要求。气流杆1的横截面尺寸应该超过连接柱2的横截面尺寸，实施例中机构的尺寸为：气流杆1长度50mm，横截面直径6mm，采用厚度0.15mm的铝合金，连接柱2长度20mm，横截面直径同关节轴承内球3的柱孔直径，为4mm，关节轴承最大允许转角度为±15°，底座5上部内径与关节轴承外环4外径大小相同，为12mm，下部扩展空间的内径为25mm，可安放二维PSD传感器的尺寸为9mmX9mm，有效测量面积为半径4.5mm的圆面，测量精度为500nm，弹簧采用丝径0.4mm，内径3mm，自然伸长7mm(不算拉钩)，拉钩内径2mm，弹簧刚度1.197N/mm，h＝1mm，得到，最大偏转角15°的情况下的最大受力为4.714N，对应气流速度大小为120.4m/s,即可测得最大120m/s的气流速度，理论测量范围为0-100m/s，按照PSD传感器500nm的测量精度，本发明的装置测气流速度的精度为1m/s，对于气流运行角度的测量可以实现0°-360°的测量。实施例中的装置可以使用于海岸、海岛、山地、等测量空间较大范围的气流的测量，对于其他环境的测量可以根据具体环境改进装置的具体尺寸。

本发明采用3个及3个以上均匀布置的拉伸弹簧都可以实现，但太多的弹簧会造成相互之间的影响，引起触碰等情况的发生，导致测量结果不准确，并且弹簧数量太多也造成了计算复杂度的提高，所以，一般地，视装置的尺寸及环境测量要求，可采用3-8个的弹簧均匀布置，保证测量时相互之间不会发生触碰，采用实施例中的计算方法，建立平面直角坐标系，计算得到流体冲击后，气流杆1偏离中心位置时受到的弹簧合力，经本发明中的方法换算为流体的冲击力，进而采用类似实施例的方法计算得到流速值，流体流向与气流杆1偏离中心位置的方向相反。

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

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 (5)

1.一种气流流速流向实时监测装置，其特征在于，该装置包括气流杆，连接柱，关节轴承、底座，n个拉伸弹簧，二维PSD位移传感器，以及数据处理器；n取值范围为3至8；

气流杆为空心封闭圆柱状，并固定在连接柱上，气流杆和连接柱中心轴线重合，关节轴承为由关节轴承内球和关节轴承外环构成的自润滑关节轴承；连接柱穿过并固定在关节轴承内球上，连接柱的中心位置与关节轴承内球的球心重合，关节轴承外环固定在底座的顶端，连接柱下端安装n个固定环，n个固定环均匀分布在连接柱下端，并分别与n个相同的拉伸弹簧的一端相连，n个拉伸弹簧的另一端分别与底座的内壁固定相连，并呈均匀分布；

连接柱内设有激光驱动模块、激光二极管和准直透镜，激光二极管安装在套管的上部，并与位于套管的顶端的激光驱动模块电连接，准直透镜安装在套管的下部，套管底端设有导光孔，二维PSD位移传感器固定在导光孔下方，二维PSD位移传感器与数据处理器电信号连接，信号传输接口的一端与数据处理器电连接，另一端伸出至底座外；

工作时，气流杆在气流的推动下发生偏转，带动连接柱沿关节轴承内球的中心发生转动，并朝向与气流流动相同的方向；连接柱内的激光二极管发射的激光，到达准直透镜，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，通过导光孔投射到二维PSD位移传感器，二维PSD位移传感器得到光斑中心的位置信息，并提供给数据处理器；数据处理器根据光斑中心的位置信息计算得到气流速度和方向。

2.根据权利要求1所述的气流流速流向实时监测装置，其特征在于，数据处理器按照式I计算获得气流流速：

平面投影坐标为P(x,y)，L为气流杆的长度，l为连接柱的长度，ρ为气体密度，A为气流在气流杆上的作用面积，C_d为作为气流杆的拖拽力系数，i表示拉伸弹簧的序号，i的取值为1,2,3,…,n，f_ix表示拉伸弹簧i的拉力在x轴上的分量；

气流速度υ为：

3.根据权利要求1所述的气流流速流向实时监测装置，其特征在于，数据处理器按照式II计算获得气流流向：

设激光光斑的中心位置为P_psd(x_t,y_t)，O_psd为气流杆在静止位置未受气流冲击情况下连接柱的中心轴线在二维PSD位移传感器测量平面的投影；流动方向同向量相反，即以直角坐标系x′O_psdy′的x′轴正向为起始边，夹角θ为

4.根据权利要求1或2或3所述的气流流速流向实时监测装置，其特征在于，所述套管由铜质散热管和不锈钢套管构成，起散热和固定作用，二维PSD位移传感器通过支架固定在导光孔下方，并通过PSD传感器信号线与数据处理器电信号连接。

5.根据权利要求1或2所述的气流流速流向实时监测装置，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，实时监测环境中的气流流场变化情况。