CN106771348A - 一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置，所述流体速度测量装置包括控制电路、光学鼠标传感器芯片、光学镜片、线激光器、激光器支架及密封挡板，所述光学鼠标传感器芯片设于所述控制电路的一端，所述激光器支架设于所述控制电路的另一端，所述密封挡板设于所述激光器支架上，所述线激光器设于所述密封挡板上，所述光学镜片设于所述密封挡板上，所述光学镜片透过所述密封挡板与所述光学鼠标传感器芯片对应，所述控制电路板，用于接收光学鼠标传感器芯片采集的数据，对数据进行分析计算，在单位时间内的位移量从而获得待测流体的速度。使得本装置的成本大大降低，并且，由于半导体产业的成熟，使得本方法的可靠性大大提高，由于光学鼠标传感器芯片内置了图像处理算法，也使得本方法的应用难度大大降低。

Description

一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置及方法

技术领域

本发明属于气体，液体的流动速度测量技术领域，既可应用于管道内流体速度的测量，也可应用于开放式区域的流体速度测量，尤其涉及一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置及方法。

背景技术

流体速度测量如气体速度测量和液体速度测量在工业上有着非常重要的意义。因此针对流体速度测量的方法也为数众多。如利用运动流体使压电传感器产生变形从而输出电压信号而测量流体速度的靶式流体速度传感器（专利号CN1760677A）；又如利用CT成像方法来确定流体速度的方法（专利号CN105919616A）；亦有使用超声波传感器阵列来测量管道内流体速度的方法（专利号CN1774617A）；发明专利CN105807090A利用光干涉技术测量球-盘近壁面的流体速度；实用新型专利CN204129065U公开了一种浑浊流体监测装置，能够在浑浊水体等恶劣环境下实时监测流体信息；发明专利CN101598581B公开了一种基于分布式光纤湿度传感技术的流速测量系统及方法，可实现大体积流体不同位置流速的测量；发明专利CN105548606A公开了一种基于MEMS的柔性流速传感器，可安装于管道表面用于测量表面流体速度。以上发明都存在成本高，体积大，结构复杂等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置，旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的，一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置，所述流体速度测量装置包括控制电路、光学鼠标传感器芯片、光学镜片、线激光器、激光器支架及密封挡板，所述光学鼠标传感器芯片设于所述控制电路的一端，所述激光器支架设于所述控制电路的另一端，所述密封挡板设于所述激光器支架上，所述线激光器设于所述密封挡板上，所述光学镜片设于所述密封挡板上，所述光学镜片透过所述密封挡板与所述光学鼠标传感器芯片对应，所述控制电路板，用于接收光学鼠标传感器芯片采集的数据，对数据进行分析计算，在单位时间内的位移量从而获得待测流体的速度。

本发明的进一步技术方案是：所述光学鼠标传感器芯片的光学接收主轴线与所述光学镜头的光学轴线同轴。

本发明的进一步技术方案是：所述光学鼠标传感器芯片的光学接收主轴线与所述线激光器的法向方向垂直相交。

本发明的进一步技术方案是：所述光学鼠标传感器芯片的光学接收主轴线和所述光学镜头的光学轴线与所述线激光器的照射平面垂直。

本发明的进一步技术方案是：所述光学鼠标传感器芯片和所述光学镜头的所在平面与所述线激光器的照射平面平行，并且相隔一定距离。

本发明的进一步技术方案是：所述光学鼠标传感器芯片和所述光学镜头所在平面的距离为光学镜头的焦距。

本发明的进一步技术方案是：所述线激光器的法向方向与待测流体的流动方向垂直。

本发明的进一步技术方案是：所述控制电路包括处理器MCU、激光器开关模块及供电模块，所述处理器MCU的输出端连接所述激光器开关模块的输入端，所述激光器开关模块的输出端连接所述线激光器的控制端，所述处理器MCU的输入端连接光学鼠标传感器芯片的信号输出端，所述供电模块电性连接所述处理器MCU、激光器开关模块、线激光器及光学鼠标传感器芯片。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述流体速度测量装置的流体速度测量方法，所述流体速度测量方法包括以下步骤：

A、在开始测量之前系统先对光学鼠标传感器芯片进行初始化处理；

B、控制电路记录系统时间t1并对光学鼠标传感器芯片发送清零指令；

C、数据读取周期内进行延时等待并直至延时结束；

D、再次读取系统时间t2并读取测量到的颗粒位移结果d；

E、通过测量的位移除以时间计算得到流体的速度，其公式为：v=d/(t2-t1)；在分析计算得到速度V时，则完成一个测量周期；在分析计算未得到速度V时，则返回步骤B中。

本发明的有益效果是：采用光学鼠标传感器芯片作为核心单元，使得本装置的成本大大降低，并且，由于半导体产业的成熟，使得本方法的可靠性大大提高，由于光学鼠标传感器芯片内置了图像处理算法，也使得本方法的应用难度大大降低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置系统框图。

图2是本发明实施例提供的流体速度测量方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的流体速度测量装置安装在管道内测量管道内流体速度的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的流体速度测量装置的三维结构和待测流体流动方向的示意图。

图5是本发明实施例提供的流体速度测量装置结构主视图。

图6是本发明实施例提供流体速度测量装置的结构侧视图。

图7是本发明实施例提供流体速度测量装置的结构底视图。

图8是本发明实施例提供的利用光学鼠标传感器芯片作为测量传感器的测量实例所得的图像数据。

具体实施方式

附图标记：1-测量管道内流体速度时的管道，2-流体速度测量装置，3-为光学鼠标传感器芯片，4-光学镜头，5-线激光器，6-激光器支架，7-密封挡板，8-控制电路，9-测量平面。

图1示出了本发明提供的基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置, 所述流体速度测量装置包括控制电路8、光学鼠标传感器芯片3、光学镜片4、线激光器5、激光器支架6及密封挡板7，所述光学鼠标传感器芯片3设于所述控制电路8的一端，所述激光器支架6设于所述控制电路8的另一端，所述密封挡板7设于所述激光器支架6上，所述线激光器5设于所述密封挡板7上，所述光学镜片4设于所述密封挡板7上，所述光学镜头4透过所述密封挡板7与所述光学鼠标传感器芯片3对应，所述控制电路8，用于接收光学鼠标传感器芯片采集的数据，对数据进行分析计算，在单位时间内的位移量从而获得待测流体的速度。

由光学鼠标传感器芯片3，光学镜头4，线激光器5，激光器支架6，密封挡板7，控制电路8构成。发明该方法和装置的目的是克服现有方法的不足，提供一种结构简单，低成本，通用性强的流体速度测量方法和装置。该方法和装置可以应用在气体和液体的速度测量，同时可以应用于封闭管道内的流体速度测量，也可以应用于开放式流体的速度测量。该方法和装置利用光学鼠标传感器芯片作为传感器单元，工作可靠成本低。该方法和装置利用线激光器作为光源，对待测流体进行照射时可以产生位于待测流体内的测量平面，平面内的微细颗粒被照亮后通过漫反射，经过光学镜头进入光学鼠标传感器芯片，从而测量微细颗粒的位移，再通过控制电路进行计算，计算出单位时间内的位移量，从而得到待测流体的速度。通过采用光学鼠标传感器芯片作为本发明的核心单元，使得本方法和装置的成本大大降低，并且，由于 半导体产业的成熟，使得本方法的可靠性大大提高，由于光学鼠标传感器芯片内置了图像处理算法，既可以测量气体的速度也可以测量液体的速度。既可以应用于封装管道的流体速度测量，也可以应用于开放式的流体速度测量。利用线激光器作为光源，稳定性好，分辨能力强，线激光器5可由控制电路控制测量时才打开，以降低系统功耗。测量平面可以通过光学镜头的设计进行选择与传感器的距离，适应性强。

所述光学鼠标传感器芯片3的光学接收主轴线与所述光学镜头4的光学轴线同轴。

所述光学鼠标传感器芯片3的光学接收主轴线与所述线激光器5的法向方向垂直相交。

所述光学鼠标传感器芯片3的光学接收主轴线和所述光学镜头5的光学轴线与所述线激光器的照射平面垂直。

所述光学鼠标传感器芯片3和所述光学镜头5的所在平面与所述线激光器的5照射平面平行，并且相隔一定距离。

所述光学鼠标传感器芯片3和所述光学镜头5所在平面的距离为光学镜头5的焦距。

所述线激光器的法向方向与待测流体的流动方向垂直。

所述控制电路包括处理器MCU、激光器开关模块及供电模块，所述处理器MCU的输出端连接所述激光器开关模块的输入端，所述激光器开关模块的输出端连接所述线激光器的控制端，所述处理器MCU的输入端连接光学鼠标传感器芯片的信号输出端，所述供电模块电性连接所述处理器MCU、激光器开关模块、线激光器及光学鼠标传感器芯片

本发明的另一目的在于提供一种基于所述流体速度测量装置的流体速度测量方法，所述流体速度测量方法包括以下步骤：

A、在开始测量之前系统先对光学鼠标传感器芯片进行初始化处理；

B、控制电路记录系统时间t1并对光学鼠标传感器芯片发送清零指令；

C、数据读取周期内进行延时等待并直至延时结束；

D、再次读取系统时间t2并读取测量到的颗粒位移结果d；

E、通过测量的位移除以时间计算得到流体的速度，其公式为：v=d/(t2-t1)；在分析计算得到速度V时，则完成一个测量周期；在分析计算未得到速度V时，则返回步骤B中。

如图1所示，为本实施方式的系统框图，其中测量系统主要包括控制电路8，光学鼠标传感器芯片3，光学镜头4和线激光器5，而测量对象可以是管道或开放空间的待测流体。控制电路8可以控制线激光器5的开关，测量时才打开激光器，不测量时则关闭以降低系统功耗。控制电路8同时负责光学鼠标传感器芯片3的控制与数据读取。线激光器5照射待测流体，然后激光通过散射，经过光学镜头4投影在光学鼠标传感器芯片3上进行测量系统。

如图2所示，为本实施方式的系统流程图，此过程主要由控制电路8对光学鼠标传感器芯片3发送命令实现。测量开始前系统先对光学鼠标传感器芯片3进行初始化，然后控制电路8记录系统时间t1并对光学鼠标传感器芯片3发送清零命令，之后系统延时等等一个测量周期，等等延时完成 后，便再次读取系统时间t2并读取测量的位移结果d，通过测量的位移除以时间以得到流体的速度，即是v=d/(t2-t1)，以完成一个测量周期。，激光器支架6，密封挡板7，控制电路（8）构成的三维空间示意图。光学鼠标传感器芯片3安装在控制电路8上，而光学镜头4和线激光器5安装在密封挡板7上，并且光学鼠标传感器芯片4的光学轴线同轴，并与线激光器5的法向方向垂直相交，如此则可以得到最优的成像效果。待测流体的流动方向与线激光器5的法向方向垂直，如此可以减小突出的激光器对流体流动的影响。

如图6所示，为本实施方式的侧视图。光学鼠标传感器芯片3和光学镜头4在所在平面应该与线激光器5的照射平面平行，并且相隔一定距离，光学鼠标传感器芯片3和光学镜头4所在平面的距离应该为光学镜头4的焦距，而光学镜头4所在平面与线激光器5的照射平面的距离则为所设计的待测流体的空间位置。

如图8所示，为本实施方式的一个测量实例。图中显示为光学鼠标传感器芯片3的测量结果，此数据通过控制电路8读出，为一个18×18的矩阵。此测量实例采用的光学鼠标传感器芯片3型号为MCS-12085，其帧数刷新率为1500 fps，最大测量速度为12 ips，可以达到400 cpi的分辨率。若采用ADNS-3080型号芯片，则帧数刷新率更可达为6469 fps，最大测量速度为40 ips，分辨率可达1600 cpi。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光学鼠标传感器的流体速度测量装置，其特征在于，所述流体速度测量装置包括控制电路、光学鼠标传感器芯片、光学镜片、线激光器、激光器支架及密封挡板，所述光学鼠标传感器芯片设于所述控制电路的一端，所述激光器支架设于所述控制电路的另一端，所述密封挡板设于所述激光器支架上，所述线激光器设于所述密封挡板上，所述光学镜片设于所述密封挡板上，所述光学镜片透过所述密封挡板与所述光学鼠标传感器芯片对应，所述控制电路，用于接收光学鼠标传感器芯片采集的数据，对数据进行分析计算，在单位时间内的位移量从而获得待测流体的速度。

2.根据权利要求1所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述光学鼠标传感器芯片的光学接收主轴线与所述光学镜头的光学轴线同轴。

3.根据权利要求2所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述光学鼠标传感器芯片的光学接收主轴线与所述线激光器的法向方向垂直相交。

4.根据权利要求3所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述光学鼠标传感器芯片的光学接收主轴线和所述光学镜头的光学轴线与所述线激光器的照射平面垂直。

5.根据权利要求4所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述光学鼠标传感器芯片和所述光学镜头的所在平面与所述线激光器的照射平面平行，并且相隔一定距离。

6.根据权利要求5所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述光学鼠标传感器芯片和所述光学镜头所在平面的距离为光学镜头的焦距。

7.根据权利要求6所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述线激光器的法向方向与待测流体的流动方向垂直。

8.根据权利要求7所述的流体速度测量装置，其特征在于，所述控制电路包括处理器MCU、激光器开关模块及供电模块，所述处理器MCU的输出端连接所述激光器开关模块的输入端，所述激光器开关模块的输出端连接所述线激光器的控制端，所述处理器MCU的输入端连接光学鼠标传感器芯片的信号输出端，所述供电模块电性连接所述处理器MCU、激光器开关模块、线激光器及光学鼠标传感器芯片。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述流体速度测量装置的流体速度测量方法，所述流体速度测量方法包括以下步骤：

A、在开始测量之前系统先对光学鼠标传感器芯片进行初始化处理；

B、控制电路记录系统时间t1并对光学鼠标传感器芯片发送清零指令；

C、数据读取周期内进行延时等待并直至延时结束；

D、再次读取系统时间t2并读取测量到的颗粒位移结果d；

E、通过测量的位移除以时间计算得到流体的速度，其公式为：v=d/(t2-t1)；在分析计算得到速度V时，则完成一个测量周期；在分析计算未得到速度V时，则返回步骤B中。