CN108680766B - 一种球型激光流体环境传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球型激光流体环境传感器，包括：外部球型柔性反射壳的内侧设置有利用激光反射的材料涂层，支撑材料为柔性材料；内部信号球由多块感光板组成，且每块感光板上设置有一个激光收发器；信息处理装置，用于根据发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间，通过光路反演原理，建立外部球型柔性反射壳形变量和外部受力的关系模型。本发明柔性反射壳在外界环境变化条件下，外侧柔性反射壳发生形变，球型激光发射器发射激光脉冲，激光接收器得到的信号(位置及强度)发生改变，通过光路的反演可以推算柔性外壳形状的改变，建立柔性反射壳形变和流体外力作用的关联性对应关系，可应用于流体环境外力的智能传感监测。
Description
技术领域
本发明涉及流体环境外力监测领域，更具体的涉及一种球型激光流体环境传感器。
背景技术
作为人类探知自然界的触觉，智能传感器可以为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。人类本能地具有将身体上的各种功能器官(眼、耳、鼻、四肢等)所探测到的信息(景物、声音、气味和触觉等)与先验知识进行综合的能力，多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟，其基本原理就是通过对多传感器提供的在空间、时间上的冗余或互补信息依据某种优化准则加以组合，最大限度地获得被测目标的信息。各种传感器提供的信息可能具有不同的特征，如模糊的或确定的、时变的或非时变的、实时的或非实时的、全面的或不全面的、可靠的或非可靠的、相互支持的或相互矛盾的。通过对数据进行多级别、多方位、多层次的处理，产生新的有意义的信息。智能传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用，是未来智能系统的基本构成部分。
关于智能传感器的定义从上个世纪70年代末到80年代中就在有关传感器的杂志上进行过讨论，一种观点认为：传感器和电路都集成在一个芯片上，这样的器件叫智能传感器；而另一种观点认为具有某些逻辑功能的传感器叫智能传感器。90年代初，关于智能传感器的定义有了较一致的看法：把凡具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等全部或部分功能的器件叫做智能传感器。
智能传感器的研究热点主要集中在以下两个方面：
(1)物理转化机理
理论上讲，有很多种物理效应可以将待测物理量转换为电学量。在智能传感器出现之前，为了数据读取的方便，人们选择物理转化机理时，被迫优先选择那些输入-输出传递函数为线性的转化机理，而舍弃掉其他传递函数为非线性，但具有长期稳定性、精确性等性质的转换机理或材料。由于智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递函数对传感器应用的制约，所以一些科研工作者正在对这些稳定性好、精确度高、灵敏度高的转换机理或材料重新进行研究。例如,谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但以前频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振式传感器的应用和发展，现在利用同一硅片上集成的检测电路，可以迅速提取频率信号。
(2)数据融合理论
数据融合通过分析各个传感器的信息，来获得更可靠、更有效、更完整的信息，并依据一定的原则进行判断，作出正确的结论。对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命，进而实现识别、判断和决策。
现有的流体环境传感器多是针对环境因子单一要素的传感元件构成。
发明内容
本发明实施例新增一种多要素复合的流体外力环境智能传感方式，用以解决现有技术中存在的问题。
本发明实施例提供一种球型激光流体环境传感器，包括：外部球型柔性反射壳、内部信号球和信息处理装置；
所述外部球型柔性反射壳的内侧设置有利用激光反射的材料涂层，及所述外部球型柔性反射壳的支撑材料为柔性材料；
所述内部信号球由多块感光板组成，且每块感光板上设置有一个激光收发器；所述激光收发器，用于向所述外部球型柔性反射壳的内侧发射激光信号，并记录发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间；
所述信息处理装置，用于根据发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间，通过光路反演原理，建立外部球型柔性反射壳形变量和外部受力的关系模型。
进一步地，所述内部信号球的下端设置有线路管。
进一步地，所述内部信号球上设置有环状气压传感器和环状温度传感器。
进一步地，所述外部球型柔性反射壳下端和所述内部信号球下端接合密封。
进一步地，所述信息处理装置，还用于利用空间建模方式，分析记录信号与外部球型柔性反射壳形变量的对应关系，确定记录信号与外部受力的对应函数建模。
本发明实施例中，提供一种球型激光流体环境传感器，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明柔性反射壳在外界环境(水流流速、流向、风速、风向等)变化条件下，外侧柔性反射壳发生形变，球型激光发射器发射激光脉冲，激光接收器得到的信号(位置及强度)发生改变，通过光路的反演可以推算柔性外壳形状的改变，建立柔性反射壳形变和流体外力作用的关联性对应关系，可应用于流体环境外力的智能传感监测，是一种新型的复合环境智能监测传感器。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种球型激光流体环境感器内部信号球设计；
图2a～2b为本发明实施例提供的一种球型激光流体环境感器的基本工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1、图2a和图2b，本发明实施例提供的一种球型激光流体环境感器，包括：外部球型柔性反射壳、内部信号球和信息处理装置。
具体地，外部球型柔性反射壳的内侧设置有利用激光反射的材料涂层，及所述外部球型柔性反射壳的支撑材料为柔性材料；内部信号球由多块感光板组成，且每块感光板上设置有一个激光收发器；所述激光收发器，用于向所述外部球型柔性反射壳的内侧发射激光信号，并记录发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间；信息处理装置，用于根据发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间，通过光路反演原理，建立外部球型柔性反射壳形变量和外部受力的关系模型。
进一步地，内部信号球的下端设置有线路管；内部信号球上设置有环状气压传感器和环状温度传感器。
进一步地，外部球型柔性反射壳下端和所述内部信号球下端接合密封。
工作原理
柔性反射壳在外界环境(水流流速、流向、风速、风向等)变化条件下，外侧柔性反射壳发生形变，球型激光发射器发射激光脉冲，激光接收器得到的信号(位置及强度)发生改变，通过光路的反演可以推算柔性外壳形状的改变，建立柔性反射壳形变和流体外力作用的关联性对应关系，可应用于流体环境的监测。
模拟结果
激光反射基本原理即镜面反射。从最基本的球面反射面反射激光脉冲信号到球型激光接收器得到的信息，信号接收到的位置及强度是用于分析激光反射路径的基本数据。利用软件和物理模型计算的结果表明，本发明的设计可以计算柔性反射壳形变和流体外力作用的关联性对应关系，但模型的精度与激光发射器、感光板的数量及位置分布有关。
这里有一个备用的传感器设计方案，即信号球直接测定激光脉冲返回的时间，测算从激光发射器到反射外壳再到接收器的距离，这样的设计对于测距激光发射器/接收器的精密度就有很高的要求，同时相应的传感器设计成本就很高，只作为备用方案。利用空间建模方式，分析接收信号与反射壳状态改变的对应关系，完成信号-外力的对应函数建模。
材质和规格的影响
该传感器最直接的监测要素是外界受力的大小与方向，如在空气中则风速、风向，在水体中则为流速、流向。但是温度(内外气压差)、以及柔性反射外壳的材料(韧性等属性)对外受力与形变的对应关系有较大的影响。不同规格(尺寸、材料)的传感器其对环境感应的敏感度存在较大的差异。前者需要进行野外实测数据的验证，完成传感信息与传感器参数的修正模型研究。后者可以通过信号球感光板接收信号的时间差进行判读。当因柔性反射壳形变较大，初次反射回的激光信号无法照到感光板，而是掠过信号球在另一侧反射壳再次反射(甚至多次反射)，信号球最终获得激光信号的时间是比初次反射有延后的，因此通过间歇性脉冲信号最终接收时间差可修正关系模型。另外，如果对信号球不同位置的激光信号的频率做差异化处理，可辅助对关系模型的计算和优化。
本发明柔性反射壳在外界环境(水流流速、流向、风速、风向等)变化条件下，外侧柔性反射壳发生形变，球型激光发射器发射激光脉冲，激光接收器得到的信号(位置及强度)发生改变，通过光路的反演可以推算柔性外壳形状的改变，建立柔性反射壳形变和流体外力作用的关联性对应关系，可应用于流体环境外力的智能传感监测，是一种新型的复合环境智能监测传感器。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种球型激光流体环境传感器，其特征在于，包括：外部球型柔性反射壳、内部信号球和信息处理装置；
所述外部球型柔性反射壳的内侧设置有用于激光反射的材料涂层，及所述外部球型柔性反射壳的支撑材料为柔性材料；
所述内部信号球由多块感光板组成，且每块感光板上设置有一个激光收发器；所述激光收发器，用于向所述外部球型柔性反射壳的内侧发射激光信号，并记录发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间；
所述信息处理装置，用于根据发射的激光信号反射至感光板上的位置、强度和激光接收时间，通过光路反演原理，建立外部球型柔性反射壳形变量和外部受力的关系模型。
2.如权利要求1所述的球型激光流体环境传感器，其特征在于，所述内部信号球的下端设置有线路管。
3.如权利要求1所述的球型激光流体环境传感器，其特征在于，所述内部信号球上设置有环状气压传感器和环状温度传感器。
4.如权利要求1所述的球型激光流体环境传感器，其特征在于，所述外部球型柔性反射壳下端和所述内部信号球下端接合密封。
5.如权利要求1所述的球型激光流体环境传感器，其特征在于，所述信息处理装置，还用于利用空间建模方式，分析记录信号与外部球型柔性反射壳形变量的对应关系，确定记录信号与外部受力的对应函数建模。
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