CN106092222A - 一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法 - Google Patents

一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法，传感器探头包括活塞缸和设置于活塞缸一侧的检测箱，活塞缸的两端分别由端盖封闭，活塞缸内滑动设置有活塞，活塞与端盖之间均设置弹簧和活塞杆，端盖上均开设有检测通孔，活塞杆一端固定于活塞上，另一端滑动设置于检测通孔内，且活塞杆的端部固定有反光部件，检测通孔的另一端还设置有光纤检测端，检测箱与活塞两侧的腔室分别通过一个流体通路相连通，流体通路和气源分别设置于流体在检测箱内部流通路径的相对两侧。以解决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任的问题。本发明属于流量检测领域。

Description

一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种流量传感器，属于流量传感监测技术领域。
背景技术
现代工业生产尤其是自动化生产过程中，常常要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器也早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。本发明是众多类别的传感器之一——流量传感器。随着传感器技术的发展，目前已经出现多种多样的流量传感器，最常用的有叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等。但是，诸如叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等传感器，原理多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种单活塞光纤流量传感器及其检测方法，以解决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任的问题。
本发明的方案如下：一种单活塞光纤流量传感器，包括传感器探头、光电转换器和信号处理器，传感器探头包括活塞缸和设置于活塞缸一侧的检测箱，活塞缸的两端分别由端盖封闭，活塞缸内滑动设置有活塞，活塞与两端的端盖之间均设置弹簧和活塞杆，弹簧的一端固定于活塞上，另一端固定于端盖上，所述两端的端盖上均开设有检测通孔，活塞杆的一端固定于活塞上，另一端滑动设置于检测通孔内，且滑动设置于检测通孔内的活塞杆的端部固定有反光部件，检测通孔的另一端还伸入设置有具有入射光纤和出射光纤的光纤检测端，光纤检测端的出射光纤与光电转换器相连，光电转换器与信号处理器相连，通过出射光纤所接收信号的强弱即可判断反光部件与光纤检测端之间的距离，从而判断活塞的滑动距离，即可进一步判断出进入活塞两侧的流体的压差；
检测箱上具有流体入口和流体出口以使流体流经检测箱的内部，检测箱与活塞缸中活塞两侧的腔室分别通过一个流体通路相连通，还包括气源，气源的供气方向指向两个流体通路的中间位置，且流体通路和气源分别设置于流体在检测箱内部流通路径的相对两侧，如此设置，当检测箱内的流体不流通时，流入活塞两侧腔室的流体压力应当相同，则活塞会处于平衡位置保持不变，而当流体流动后，流入活塞两侧腔室的流体压力是不同的，则活塞会发生滑动，这种压力变化就会反映在光纤探头检测的光信号变化上，即通过该传感器检测出流体流量等信息。
还包括有光源、Y型耦合器和光纤，光源设置于光纤的一端用于产生光纤信号，光源发出的光信号耦合进入到光纤内，光纤的另一端经Y型耦合器后分为两路光源入射光纤，两路光源入射光纤分别对应接入到传感器探头中的两个光纤检测端，并作为光纤检测端的入射光纤，照射到反光部件上，经反射后的反射光进入两端的出射光纤，由出射光纤分别传输到两个单独的光电转换器进行光电转换，转换后的电信号经A/D转化单元处理后分别输入到信号处理器，信号处理器再对这两路信号进行比值运算。
为了避免弹簧对传感器的影响，活塞两侧的弹簧对称设置，且活塞两侧的弹簧的结构及规格均完全相同，活塞位于两端端盖的正中央位置时，活塞两侧的弹簧均处于自然状态，即弹簧无拉伸与压缩形变；
为保证光纤探头的传感效果，保证两端光纤检测端与反光部件之间的距离平衡，两个检测通孔均开设在所在端盖的正中心位置，两个检测通孔、活塞及两个活塞杆均同轴设置，反光部件与光纤检测端垂直设置，反光部件为反光镜或反光片，活塞与活塞缸的内壁之间为滑动密封式结构，以防止活塞两侧的流体互相渗入，活塞杆与检测通孔之间也为滑动密封结构，例如，活塞杆的外侧设置有密封圈，通过密封圈实现与检测通孔内壁之间的密封，防止流体流入反光部件与光纤检测端之间；
作为优选的结构，所述光纤检测端通过螺纹旋紧固定于检测通孔内，以保证光纤探头定位的牢固和精确，端盖为橡胶塞，保证结构可靠性的前提下结构更为简化；
为保证活塞的密封效果，防止流体经活塞边缘流入弹簧所在腔室，活塞与活塞缸的内壁之间设置有活塞密封圈；
为保证传感器的使用寿命和使用效果，活塞的材质优选硬质合金；
为防止流体内的杂质进入传感器探头，所述流体通路上均设置有滤网。
光纤检测端的光纤束由入射光纤和出射光纤集合铠装而成，入射光纤另一端与光源对接，用以耦合入射光，出射光纤的出射端与光敏元件连接，输出光强度信号。
一种单活塞光纤流量检测方法，包括：
传感器探头、光电转换器和信号处理器，传感器探头包括光纤压差传感器探头和具有流体流通通路的检测箱；
光纤压差传感器探头包括有筒形的活塞缸，活塞缸内具有两个由滑动设置于活塞缸内的活塞分隔开的流体检测腔，两个流体检测腔分别与检测箱相连通；
检测箱与两个流体检测腔分别通过两个流体通路相连通，检测箱处还对应设置有朝向两个流体通路的中间位置喷气的气源，且流体通路和气源分别设置于检测箱内的流体流通通路的相对两侧，若检测箱内无被测流体流动，则两个流体检测腔内的压力是相同的，光纤压差传感器探头检测到两腔室压差为零；若检测箱内有被测流体流动，启动气源吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，混合流体在检测箱内发生偏移，以致进入活塞缸的混合流体在活塞的两侧形成压强差，活塞在两个流体检测腔压差的作用下，向低压一侧滑移，并通过光纤压差传感器探头检测压差，建立动量压差数学模型，推算得出流体动量；
所述动量压差数学模型如下：分析传动量与压差之间的关系，设气流的速度为Vs，被测流体的速度为V，其中Vs是由气源发射出来的气流速度，为已知量，活塞两端压强差与两个流体的动量Ms/M有关，其中M为被测流体动量，Ms为气流动量，分别与与V2成正比。
M＝kV2；
k为常数；
即：
则：
其中，k1为已知量，从而在已知ΔP后即可求得V的值，在试验中，我们取Vs等于5m/s，取k1＝2，V变化由1m/s到2m/s,其曲线如图4所述。
本发明与现有技术相比，主要优点如下：经过结构设计、理论研究与实验分析可知，该传感器具有较小的结构、较高的精确度与可靠性、较好的适应性与互换性等，该传感器能适用于众多流体流量检测场合，将光电传感原理应用于流量检测领域，输出信号经光电转换及信号处理计算后输出值将成倍变化，从而提高了检测灵敏度，具有十分重要的实际应用价值，对新型流量传感器的设计与推广起到了极大的推动作用。
同时，该差压传感器采用活塞式结构作为压力探测器件，在两侧流体具有压力差时，活塞是平移运动，仅需根据活塞的平移量即可计算出流体压力差，对于光纤传感的要求更低，计算和测量更为简单，且活塞结构更加稳定，不易受外界干扰，不易损坏，使用寿命更为长久，使得传感器的可靠性、适应性及互换性都有了较大进步，适宜用作流体流量的测量；传感器的强度补偿原理更为简单，实用性更强。
附图说明
图1是该传感器的系统原理图；
图2是该传感器探头结构的剖视图；
图3是检测原理图；
图4是流体动量与活塞两边压强差的关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一步地详细描述，
实施例：
参照图1至图3，本实施例提供一种单活塞光纤流量传感器，包括传感器探头1、光电转换器2和信号处理器3，传感器探头1包括活塞缸11和设置于活塞缸11一侧的检测箱12，活塞缸11的两端分别由端盖13封闭，端盖13为橡胶塞，活塞缸11内滑动设置有活塞14，活塞14与活塞缸11的内壁之间设置有活塞密封圈141，活塞14与两端的端盖13之间均设置弹簧15和活塞杆16，弹簧15的一端固定于活塞14上，另一端固定于端盖13上，活塞14两侧的弹簧15对称设置，且活塞14两侧的弹簧15的结构及规格均完全相同，活塞14位于两端端盖13的正中央位置时，活塞14两侧的弹簧15均处于自然状态，即弹簧无拉伸与压缩形变，所述两端的端盖13的正中心位置均开设有检测通孔17，活塞杆16的一端固定于活塞14上，另一端滑动设置于检测通孔17内，且滑动设置于检测通孔17内的活塞杆16的端部固定有反光部件18，两个检测通孔17、活塞14及两个活塞杆16均同轴设置，检测通孔17的另一端还伸入设置有光纤检测端19，光纤检测端19通过螺纹旋紧固定于检测通孔17内，反光部件18与光纤检测端19垂直设置，反光部件18为反光镜或反光片，活塞14与活塞缸11的内壁之间为滑动密封式结构，以防止活塞14两侧的流体互相渗入，活塞杆16与检测通孔17之间也为滑动密封结构，例如，活塞杆16的外侧设置有密封圈，通过密封圈实现与检测通孔17内壁之间的密封，防止流体流入反光部件18与光纤检测端19之间，光纤检测端19的光纤束由入射光纤191和出射光纤192集合铠装而成，入射光纤191另一端与光源对接，用以耦合入射光，光纤检测端19的出射光纤192与光电转换器2相连，输出光强度信号后经光电转换器2转换为电信号，光电转换器2与信号处理器3相连，该信号经过放大整流滤波等处理环节后输入到计算机中，配合相应的算法计算，可以得出两检测位置的流体压力差；
还包括有光源5、Y型耦合器6和光纤7，光源5设置于光纤7的一端用于产生光纤信号，光源5发出的光信号耦合进入到光纤7内，光纤7的另一端经Y型耦合器6后分为两路光源入射光纤，两路光源入射光纤分别对应接入到传感器探头1中的两个光纤检测端19，并作为光纤检测端19的入射光纤191，照射到反光部件18上，经反射后的反射光进入两端的出射光纤192，由出射光纤192分别传输到两个单独的光电转换器2进行光电转换，转换后的电信号经A/D转化单元8处理后分别输入到信号处理器3，信号处理器3再对这两路信号进行比值运算。
检测箱12上具有流体入口121和流体出口122以使流体流经检测箱12的内部，检测箱12与活塞缸11中活塞14两侧的腔室分别通过一个流体通路123相连通，所述流体通路123上均设置有滤网125，还包括气源124，气源124的供气方向指向两个流体通路123的中间位置，且流体通路123和气源124分别设置于流体在检测箱12内部流通路径的相对两侧，如此设置，当检测箱12内的流体不流通时，流入活塞14两侧腔室的流体压力应当相同，则活塞14会处于平衡位置保持不变，而当流体流动后，流入活塞14两侧腔室的流体压力是不同的，则活塞14会发生滑动，这种压力变化就会反映在光纤探头检测的光信号变化上，建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。
如图3所示，从气源124进入的测试流体(即气流)与被测流体耦合并相互作用，在被测流体的作用下，测试流体流场由均匀分布向右侧发生偏移。当测试流体流场均匀分布时(即被测流体不流动)，进入传感器左右检测腔的流体流量相同，左右检测腔内的流体压力相等，活塞静止不动；而当测试流体流场向右侧发生偏移后(被测流体向右流动)，进入传感器右腔的流体流量增大，进入传感器左腔的流体流量减小，从而导致传感器左右检测腔产生压力差。活塞14的左右偏移直接带动了活塞杆16端部的反光部件18的移动，并使光纤束与反光片(反光部件18)距离发生变化，造成两个输出光信号的强度不同，光敏元件把光信号转化为电信号，该信号经过放大整流滤波等处理环节后输入到计算机中，配合相应的算法计算，可以得出两检测位置的流体压力差。再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。

Claims (9)

1.一种单活塞光纤流量传感器，包括传感器探头(1)、光电转换器(2)和信号处理器(3)，其特征在于：传感器探头(1)包括活塞缸(11)和设置于活塞缸(11)一侧的检测箱(12)，活塞缸(11)的两端分别由端盖(13)封闭，活塞缸(11)内滑动设置有活塞(14)，活塞(14)与两端的端盖(13)之间均设置弹簧(15)和活塞杆(16)，弹簧(15)的一端固定于活塞(14)上，另一端固定于端盖(13)上，所述两端的端盖(13)上均开设有检测通孔(17)，活塞杆(16)的一端固定于活塞(14)上，另一端滑动设置于检测通孔(17)内，且滑动设置于检测通孔(17)内的活塞杆(16)的端部固定有反光部件(18)，检测通孔(17)的另一端还伸入设置有具有入射光纤(191)和出射光纤(192)的光纤检测端(19)，光纤检测端(19)的出射光纤(192)与光电转换器(2)相连，光电转换器(2)与信号处理器(3)相连；
检测箱(12)上具有流体入口(121)和流体出口(122)以使流体流经检测箱(12)的内部，检测箱(12)与活塞缸(11)中活塞(14)两侧的腔室分别通过一个流体通路(123)相连通，还包括气源(124)，气源(124)的供气方向指向两个流体通路(123)的中间位置，且流体通路(123)和气源(124)分别设置于流体在检测箱(12)内部流通路径的相对两侧。
2.根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：还包括有光源(5)、Y型耦合器(6)和光纤(7)，光源(5)设置于光纤(7)的一端用于产生光纤信号，光源(5)发出的光信号耦合进入到光纤(7)内，光纤(7)的另一端经Y型耦合器(6)后分为两路光源入射光纤，两路光源入射光纤分别对应接入到传感器探头(1)中的两个光纤检测端(19)，并作为光纤检测端(19)的入射光纤(191)。
3.根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：活塞(14)两侧的弹簧(15)对称设置，且活塞(1)两侧的弹簧(15)的结构及规格均完全相同，活塞(14)位于两端端盖(13)的正中央位置时，活塞(1)两侧的弹簧(15)均处于自然状态。
4.根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：两个检测通孔(17)均开设在所在端盖(13)的正中心位置，两个检测通孔(17)、活塞(14)及两个活塞杆(16)均同轴设置，反光部件(18)与光纤检测端(19)垂直设置，反光部件(18)为反光镜或反光片，活塞(14)与活塞缸(11)的内壁之间为滑动密封式结构，活塞杆(16)与检测通孔(17)之间也为滑动密封结构。
5.根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：所述光纤检测端(19)通过螺纹旋紧固定于检测通孔(17)内，端盖(13)为橡胶塞。
6.根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：活塞(14)与活塞缸(11)的内壁之间设置有活塞密封圈(141)。
7.根据权利要求1所述一种单活塞光纤流量传感器，其特征在于：光纤检测端(19)的光纤束由入射光纤(191)和出射光纤(192)集合铠装而成，入射光纤(191)另一端与光源对接，用以耦合入射光，出射光纤(192)的出射端与光敏元件连接，输出光强度信号。
8.一种单活塞光纤流量检测方法，其特征在于，包括：
传感器探头(1)、光电转换器(2)和信号处理器(3)，传感器探头(1)包括光纤压差传感器探头和具有流体流通通路的检测箱(12)；
光纤压差传感器探头包括有筒形的活塞缸(11)，活塞缸(11)内具有两个由滑动设置于活塞缸(11)内的活塞(14)分隔开的流体检测腔，两个流体检测腔分别与检测箱(12)相连通；
检测箱(12)与两个流体检测腔分别通过两个流体通路(123)相连通，检测箱(12)处还对应设置有朝向两个流体通路(123)的中间位置喷气的气源(124)，且流体通路(123)和气源(124)分别设置于检测箱(12)内的流体流通通路的相对两侧，若检测箱(12)内有被测流体流动，启动气源(124)吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱(12)内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，混合流体在检测箱(12)内发生偏移，以致进入活塞缸(11)的混合流体在活塞(14)的两侧形成压强差，活塞(14)在两个流体检测腔压差的作用下，向低压一侧滑移，并通过光纤压差传感器探头检测压差，建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。
9.根据权利要求8所述一种单活塞光纤流量检测方法，其特征在于：所述动量压差数学模型如下：分析传动量与压差之间的关系，设气流的速度为Vs，被测流体的速度为V，其中Vs是由气源(124)发射出来的气流速度，为已知量，活塞两端压强差与两个流体的动量Ms/M有关，其中M为被测流体动量，Ms为气流动量，分别与与V2成正比；
M＝kV2；
k为常数；
即：
则：
其中，k1为已知量，从而在已知ΔP后即可求得V的值。
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