CN108037312B - 水流流速流向传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水流流速流向传感器，属于传感器技术领域，包括万向板，万向板一侧边固连转向轴，转向轴上部与机架底座转动连接；机架底座上方设有支撑架，转向轴上端依次套装第一凸轮和第二凸轮，第一凸轮左端及第二凸轮右端分别通过水平伸缩元件与支撑架相连；中空的万向板内设有水轮，与水轮同轴固定的齿轮与杠杆末端单齿啮合，杠杆的中部铰接在万向板上、另一端与传导轴铰接，传导轴顶部贯穿机架底座通过垂直伸缩元件与支撑架相连；水平伸缩元件及垂直伸缩元件上均设有与接收器相连的应变光栅。水流冲击万向板及水轮转动，通过水平伸缩元件上应变光栅的应变差，测量水流流向，通过垂直伸缩元件上应变光栅感应的应变变化频率，测量流速。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种水流流速流向传感器。
背景技术
海上结构在长期使用过程中，始终不断遭受海洋洋流的冲刷、海洋波浪冲击以及海洋生物滋生等因素的影响，从而出现海上结构基础动力软化、材料侵蚀老化现象，导致海上结构构件及整体抗力的衰减，影响结构的安全度和耐久度。因此，长期监测海洋洋流情况，对掌握海上结构物的性能演变，评价结构的工作状态，针对性进行合理的养修，避免各种安全事故发生，确保海上结构物的安全和提高使用年限具有重要意义，而水流流向是影响海洋施工平台安全的主要因素之一，对海洋水流流向监测将为海上结构物的正常使用提供安全保障。
流速流向测量是水文工作的重要内容，涉及防洪安全与管理、水资源开发与利用等多个方面。传统流速流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水流流速流向传感器，以解决现有技术中存在的传统流速流向测量仪器存在信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种水流流速流向传感器，包括用于感应水流流向的万向板，所述万向板的一侧边固连转向轴，所述转向轴的上部设置于机架底座上，所述转向轴相对所述机架底座转动连接；所述机架底座的上方设有支撑架，所述转向轴的上端依次套装第一凸轮和第二凸轮，所述第一凸轮左端及第二凸轮右端分别设有导向机构，所述导向机构通过水平伸缩元件与支撑架相连；所述万向板为中空壳体，所述万向板内设有用于感应水流流速的水轮，所述水轮与齿轮同轴固定，所述齿轮与杠杆的末端单齿啮合，所述杠杆的中部铰接在所述万向板上，所述杠杆的另一端与所述传导轴铰接，所述传导轴贯穿所述机架底座，所述传导轴顶部通过垂直伸缩元件与所述支撑架相连；所述水平伸缩元件及所述垂直伸缩元件上均设有与接收器相连的应变光栅。
进一步的，所述万向板的一侧水平设有文丘里管，所述文丘里管的大径端对应设置在转向轴一侧，所述文丘里管的开口设置在大径端、且开口朝向万向板外侧，所述水轮的轮缘上间隔设有若干个水槽，所述文丘里管的小径端朝向水槽设置。
进一步地，所述转向轴为管状，所述传导轴设置在转向轴内，所述传导轴的上端延伸至转向轴外部，所述转向轴顶部设有用于对传导轴限位的限位块。
进一步地，所述水平伸缩元件及所述垂直伸缩元件均为应变弹簧，所述应变光栅设置在应变弹簧上能够产生应变的直线段，所述应变弹簧的一端与支撑架相连，所述应变弹簧的另一端与传导轴上端、导向机构相连。
进一步地，所述支撑架为π形框架，所述支撑架包括第一立柱、第二立柱和横梁，所述第一立柱和第二立柱对称设置于所述转向轴两侧，所述横梁与所述第一立柱及第二立柱的上端固连，所述第一立柱和第二立柱的下端设置于所述机架底座上，所述第一立柱和第二立柱分别与所述导向机构配合；所述横梁上方设有延伸架，所述传导轴上端穿过横梁中部的通孔与应变弹簧相连。
进一步地，所述导向机构包括矩形框和导向轴，所述第一凸轮和第二凸轮设置在矩形框内，所述导向轴设置在所述矩形框的左右两端；所述第一立柱和第二立柱均包括用于与所述应变弹簧连接的外支柱和用于与所述导向轴配合的内支柱，所述内支柱上设有用于与所述导向轴配合的导向孔；所述第一凸轮的左侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连，所述第二凸轮的右侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连。
进一步地，所述第一凸轮和第二凸轮为偏心轮。
进一步地，所述第一立柱的外支柱和内支柱的下端通过第一下边框相连，所述第二立柱的外支柱和内支柱的下端通过第二下边框相连，所述第一下边框和第二下边框均与机架底座相连。
进一步地，所述转向轴上设有垫环，所述垫环分别设置第一凸轮与机架底座之间、第一凸轮与第二凸轮之间；所述转向轴与所述机架底座之间设有轴承。
进一步地，所述机架底座四周设有圆柱状机架护罩，所述机架护罩设置于支撑架外侧；所述机架护罩的顶部设有顶盖，所述顶盖中部设有用于与应变光栅相连的光纤通过的过孔。
本发明提供的水流流速流向传感器的有益效果在于：与现有技术相比，本发明水流流速流向传感器利用水流的冲击力使万向板由初始位置转动至与水流方向一致，万向板的旋转带动转向轴及第一凸轮、第二凸轮转动，转向轴转动角度不同引起两侧水平伸缩元件及其应变光栅的位移差，利用应变光栅测量水平伸缩元件的应变差间接测量水流流向，实现对水流方向360°的监测；水流冲击水轮转动，与水轮同轴固定的齿轮驱动杠杆周期摆动，通过传导轴的周期上下起伏运动的快慢来感知水轮的转速，传导轴的位移周期变化频率一一对应水流流速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水流流速流向传感器去掉机架护罩及顶盖的主视图；
图2为本发明实施例提供的水流流速流向传感器的左视图；
图3为图2中去掉机架护罩及顶盖的结构图；
图4为图1的立体图；
其中，图中各附图标记：
1-文丘里管，2-连接件，3-第一凸轮，4-垫圈，5-导向轴，6-传导轴，7- 顶轴，8-第二凸轮，9-调节钉，10-限位块，11-转向轴，12-横梁，13-支撑架， 14-机架底座，15-第一轴承，16-齿轮，17-水轮，18-杠杆，19-万向板，20- 第二轴承，21-机架护罩，22-顶盖，23-水平伸缩元件，24-垂直伸缩元件，25- 水槽，26-第一立柱，27-第二立柱，28-外支柱，29-内支柱，30-延伸架，31- 矩形框；32-应变光栅，33-光纤，34-接收器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1及图4，现对本发明提供的水流流速流向传感器进行说明。所述水流流速流向传感器，包括用于感应水流流向的万向板19，所述万向板19 的一侧边固连转向轴11，所述转向轴11的上部设置于机架底座14上，所述转向轴11相对所述机架底座14转动连接；所述机架底座14的上方设有支撑架 13，所述转向轴11的上端依次套装第一凸轮3和第二凸轮8，所述第一凸轮3 左端及第二凸轮8右端分别设有导向机构，所述导向机构通过水平伸缩元件23 与支撑架14相连；所述万向板19为中空壳体，所述万向板19内设有用于感应水流流速的水轮17，所述水轮17与齿轮16同轴固定，所述齿轮16与杠杆18 的末端单齿啮合，所述杠杆18的中部铰接在所述万向板19上，所述杠杆18 的另一端与所述传导轴6铰接，所述传导轴6贯穿所述机架底座14，所述传导轴6顶部通过垂直伸缩元件24与所述支撑架13相连；所述水平伸缩元件23 及所述垂直伸缩元件24上均设有与接收器34相连的应变光栅32。所述水轮17 的中心孔通过第一轴承15与万向板19上的固定轴配合，减小了水轮所受摩擦力。
本发明提供的水流流速流向传感器，与现有技术相比，利用水流的冲击力使万向板由初始位置转动至与水流方向一致，万向板的旋转带动转向轴及第一凸轮、第二凸轮转动，转向轴转动角度不同引起两侧水平伸缩元件及其应变光栅的位移差，利用应变光栅测量水平伸缩元件的应变差间接测量水流流向，实现对水流方向360°的监测；水流冲击水轮转动，与水轮同轴固定的齿轮驱动杠杆周期摆动，通过传导轴的周期上下起伏运动的快慢来感知水轮的转速，传导轴的位移周期变化频率一一对应水流流速。本发明具有结构简单、测量范围广、灵敏度高、制作成本低等优点，能够快速、准确、实时的测量水流流向流速的变化，可广泛用于各种水流环境中。
进一步地，请一并参阅图1、4，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述万向板19的一侧水平设有文丘里管1，所述文丘里管1的大径端对应设置在转向轴11一侧，所述文丘里管1的开口设置在大径端、且开口朝向万向板19外侧，所述水轮17的轮缘上间隔设有若干个水槽25，所述文丘里管1的小径端朝向水槽25设置。水从文丘里管的大径端开口流入，经过文丘里管的变径左右，在小径端以较高流速流出，水轮边缘的水槽在水流的冲击作用下，驱动水轮转动，与水轮同轴固定的齿轮同时转动，杠杆末端的单齿在齿轮转动过程中间隔与齿轮的齿形啮合，驱动杠杆周期性摆动，杠杆另一端通过连接件2与传导轴铰接，杠杆的上下摆动带动传导轴做上下往复运动，水流的流速通过水轮的转速反映到传导轴的上下往复频率，进而通过传导轴顶部的垂直伸缩元件及其上应变光栅的位移差来实现流速的精确测量。
进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述转向轴11为管状，所述传导轴6设置在转向轴11内，所述传导轴6的上端延伸至转向轴11外部，所述转向轴11顶部设有用于对传导轴6限位的限位块10。将传导轴设置在转向轴内，通过万向板的转动来感应水流方向，转向轴进而带动第一凸轮和第二凸轮转动，通过第一凸轮和第二凸轮两端的水平伸缩元件及其上应变光栅的位移差来实现流向的精确测量；限位块可选用螺母，将螺母套装在传导轴上，借助螺母能够避免传导轴在运动的惯性下坠入转向轴内腔，影响测量精度。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述水平伸缩元件23及所述垂直伸缩元件24均为应变弹簧，所述应变光栅32设置在应变弹簧上能够产生位移的直线段，所述应变弹簧的一端与支撑架13相连，所述应变弹簧的另一端分别与传导轴6上端、导向机构相连。应变弹簧制作、安装简单方便，将应变光栅贴在应变弹簧的能够产生位应变的直线段，能够直观地反应应变弹簧的位移变化。
进一步地，请参阅图1、4，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述支撑架13为π形框架，所述支撑架13包括第一立柱26、第二立柱27和横梁12，所述第一立柱26和第二立柱27对称设置于所述转向轴11两侧，所述横梁12与所述第一立柱26及第二立柱27的上端固连，所述第一立柱26和第二立柱27的下端设置于所述机架底座14上，所述第一立柱 26和第二立柱27分别与所述导向机构配合；所述横梁12上方设有延伸架30，所述传导轴6上端穿过横梁12中部的通孔与应变弹簧相连。利用π形框架的支撑架来固定应变弹簧，制作简单方便，安装快捷；同时利用横梁增强第一立柱和第二立柱的稳固性。
进一步地，请参阅图1、4，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述导向机构包括矩形框31和导向轴5，所述第一凸轮3和第二凸轮8分别设置在矩形框31内，所述导向轴5设置在所述矩形框31的左右两端；所述第一立柱26和第二立柱27均包括用于与所述应变弹簧连接的外支柱28和用于与所述导向轴6配合的内支柱29，所述内支柱29上设有用于与所述导向轴6配合的导向孔；所述第一凸轮3的左侧导向轴6穿过内支柱29与所述应变弹簧相连，所述第二凸轮8的右侧导向轴6穿过内支柱29与所述应变弹簧相连。利用矩形框对第一凸轮和第二凸轮进行限位，同时利用矩形框两侧的导向轴与内支柱配合，对导向轴进行导向，确保与导向轴相连的应变弹簧产生水平位移。矩形框两端导向轴在内支柱的过孔内水平移动，实现应变弹簧的水平伸缩，保证应变光栅的变化准确率，进而实现水流流向的精确测量。
进一步地，请参阅图1、4，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述第一凸轮3和第二凸轮8为偏心轮。偏心轮作为涂料的一种，更方便加工制作，矩形框则为紧贴偏心轮外圆的正方形框。
进一步地，请参阅图1、4，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述第一立柱26的外支柱28和内支柱29的下端通过第一下边框相连，所述第二立柱27的外支柱28和内支柱29的下端通过第二下边框相连，所述第一下边框和第二下边框均与机架底座14相连。所述第一立柱与所述第一下边框一体成型，所述第二立柱与所述第二下边框一体成型，方便了第一立柱及第二立柱的装卸，也提高了支撑架的整体强度；支撑架下端的第一下边框和第二下边框通过螺栓安装在机架底座上，更方便安装拆卸。
另外，延伸架与横梁一体成型，方便加工制作，同时也容易保证横梁上通孔与延伸架顶部的调节钉9的同轴度。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述转向轴11上设有垫环4，所述垫环4分别设置第一凸轮3与机架底座14之间、第一凸轮3与第二凸轮8之间。借助垫环可以避免第一凸轮与机架底座之间、及第一凸轮与第二凸轮之间的摩擦，确保转向轴的自由旋转。
另外，所述转向轴11与所述机架底座14之间设有第二轴承20，利用轴承减小转向轴与机架底座之间的摩擦力，确保转向轴相对机架底座转动灵活。所述第一凸轮3和第二凸轮8与所述转向轴11之间为键连接。利用键连接确保第一凸轮和第二凸轮相对转向轴固定连接，能够随着转向轴的旋转而旋转。
进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的水流流速流向传感器的一种具体实施方式，所述机架底座14四周设有圆柱状机架护罩21，所述机架护罩21 设置于支撑架13外侧；所述机架护罩21的顶部设有顶盖22，所述顶盖22中部设有用于与应变光栅32相连的光纤33通过的过孔。利用机架护罩及顶盖对其内部工作空间与外部环境进行隔离，使工作空间形成一个相对封闭的空间；同时对其内部各部件进行保护，保证测量的准确度。同时，与应变光栅相连的光纤33与接收器34相连，要确保顶盖中部过孔与光纤间密封良好，避免内部各部件受到干扰。
本发明的应用过程如下：工作状态时转向轴保持中心线竖直，万向板在水平面内随不定水流方向改变而旋转，待水流流向与万向板平面平行且由近轴端流向远轴端时，万向板最终将处于平衡状态不再旋转，否则将继续旋转至平衡状态；上下两个偏心轮置于矩形框内，矩形框的左右两端的导向轴再分别与接有应变弹簧，下部偏心轮的右端接有应变弹簧，上部偏心轮的左端接有应变弹簧，传导轴顶部接有应变弹簧，应变弹簧直线段贴有应变光栅，所有应变光栅通过光纤串联后再与接收器相连；万向板带动与之固定的转向轴一起旋转，转向轴转动驱动导向轴产生水平位移，上下导向轴的位移差与水流流向一一对应；水轮的转动带动传导轴上下往复运动，传导轴的位移周期变化频率一一对应水流流速；粘贴在应变弹簧上的应变光栅将感知应变弹簧的位移变化并通过光纤传递到接收器上，从而实现水流流向流速的精确测量。
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 (5)
1.水流流速流向传感器，其特征在于：包括用于感应水流流向的万向板，所述万向板的一侧边固连转向轴，所述转向轴的上部设置于机架底座上，所述转向轴相对所述机架底座转动连接；所述机架底座的上方设有支撑架，所述转向轴的上端依次套装第一凸轮和第二凸轮，所述第一凸轮左端及第二凸轮右端分别设有导向机构，所述导向机构通过水平伸缩元件与支撑架相连；所述万向板为中空壳体，所述万向板内设有用于感应水流流速的水轮，所述水轮与齿轮同轴固定，所述齿轮与杠杆的末端单齿啮合，所述杠杆的中部铰接在所述万向板上，所述杠杆的另一端与传导轴铰接，所述传导轴贯穿所述机架底座，所述传导轴顶部通过垂直伸缩元件与所述支撑架相连；所述水平伸缩元件及所述垂直伸缩元件上均设有与接收器相连的应变光栅；所述第一凸轮和第二凸轮为偏心轮；
所述转向轴为管状，所述传导轴设置在转向轴内，所述传导轴的上端延伸至转向轴外部，所述转向轴顶部设有用于对传导轴限位的限位块；
所述水平伸缩元件及所述垂直伸缩元件均为应变弹簧，所述应变光栅设置在应变弹簧上能够产生应变的直线段，所述应变弹簧的一端与支撑架相连，所述应变弹簧的另一端与传导轴上端、导向机构相连；
所述支撑架为π形框架，所述支撑架包括第一立柱、第二立柱和横梁，所述第一立柱和第二立柱对称设置于所述转向轴两侧，所述横梁与所述第一立柱及第二立柱的上端固连，所述第一立柱和第二立柱的下端设置于所述机架底座上，所述第一立柱和第二立柱分别与所述导向机构配合；所述横梁上方设有延伸架，所述传导轴上端穿过横梁中部的通孔与应变弹簧相连；
所述导向机构包括矩形框和导向轴，所述第一凸轮和第二凸轮设置在所述矩形框内，所述导向轴分别设置在所述矩形框的左右两端；所述第一立柱和第二立柱均包括用于与所述应变弹簧连接的外支柱和用于与所述导向轴配合的内支柱，所述内支柱上设有用于与所述导向轴配合的导向孔；所述第一凸轮的左侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连，所述第二凸轮的右侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连。
2.如权利要求1所述的水流流速流向传感器，其特征在于：所述万向板的一侧水平设有文丘里管，所述文丘里管的大径端对应设置在转向轴一侧，所述文丘里管的开口设置在大径端、且开口朝向万向板外侧，所述水轮的轮缘上间隔设有若干个水槽，所述文丘里管的小径端朝向水槽设置。
3.如权利要求1所述的水流流速流向传感器，其特征在于：所述第一立柱的外支柱和内支柱的下端通过第一下边框相连，所述第二立柱的外支柱和内支柱的下端通过第二下边框相连，所述第一下边框和第二下边框均与机架底座相连。
4.如权利要求1-3任一项所述的水流流速流向传感器，其特征在于：所述转向轴上设有垫环，所述垫环分别设置第一凸轮与机架底座之间、第一凸轮与第二凸轮之间。
5.如权利要求4所述的水流流速流向传感器，其特征在于：所述机架底座四周设有圆柱状机架护罩，所述机架护罩设置于支撑架外侧；所述机架护罩的顶部设有顶盖，所述顶盖中部设有用于与应变光栅相连的光纤通过的过孔。
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