CN108801377A - 一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置 - Google Patents

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陈文建
李文
李武森
林天衣
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    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/661—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters using light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Abstract

本发明公开了一种非接触式的针对特殊流体流量测定的光学装置。所述装置主要由激光器、等光程分光棱镜、会聚凸透镜、有机玻璃管、球面反射镜以及光电探测器构成。激光器发出的单色激光，被等光程分光棱镜分成能量近乎相等的两束平行光，经由会聚透镜聚焦在有机玻璃管的流场中心处，来自测量点处的散射光从有机玻璃管的另一侧出射，被一球面反射再次聚焦在光电探测器光敏面上，利用光外差技术能从电信号中提取散射光的差频，进而能测出流场中流体的瞬时流速。进一步积分即可获取流体在一段时间内的流量信息。本发明能测量特殊流体流速与流量且具有精度高、响应快以及结构紧凑的特点。

Description

一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置
技术领域
本发明涉及一种光学装置，尤其涉及一种特殊流体流量测定的方法和光学装置。
背景技术
随着现代工业自动化程度的提高，对系统数据的精确获取也成为了系统正常运行的关键。航空器燃油测定、化工产业对腐蚀液体流速以及流量的测定、甚至某些气体气流速度的测定等等。接触式测量方法存在精度低、响应慢、测量系统易被液体腐蚀的等不足。
目前国内流体流速测量的光学装置主要采用窄线宽的固体或气体激光器，价格昂贵且体积庞大，另一方面采用凸透镜收集前向散射光，光路长，不利于系统的小尺寸、低成本实现，不利于系统的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置，包括依次设置的激光器、等光程分光棱镜、会聚凸透镜、有机玻璃管、球面反射镜和光电探测器；
所述装置等光程分光棱镜位于激光器正前方，会聚凸透镜位于有机玻璃管与等光程分光棱镜之间，球面反射镜与会聚凸透镜分别位于有机玻璃管两侧，有机玻璃管的中心为测量点，该测量点同时为会聚凸透镜的焦点，测量点经球面反射镜成像的像点位置放置光电探测器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用非接触式的光电传感方式测量液体流量，测量系统不会干扰流场的稳定性，测量精度受温度等环境因素的影响小；2)本发明的方法采用球面镜接收前向散射光，实现折叠光路，缩小尺寸的同时保证了信号的强度，有利于提高信噪比；3)本发明装置中的球面镜是对轴外物点成像，避免光电探测器遮挡光路，最大程度利用了散射光强；4)本发明装置中的球面镜半径大于圆管半径，且由测量点作为物点所决定的像点位置位于圆管之外，方便放置光电探测器。
附图说明
图1是采用球面镜测量液体流量方案的原理框图。
图2是采用球面镜接收散射光原理图。
具体实施方式
针对特殊流体的流速流量测量，一种可行的方法是在液体的流路中接入能精确测定其流量的流量传感器，并且采用非接触式的光电式流量传感器，可以有效地提高测量系统的响应速度与测量精度，并避免传感器被腐蚀性液体腐蚀，延长系统寿命。特殊液体流量测定的实现方案如图1所示。
本发明的一种流体流量测定的光学装置采用激光器1，出射波长为λ的单色激光经由一等光程分光棱镜2分成能量近似相等的两束平行激光，再经由会聚透镜3聚焦至测量点处，会聚透镜3的焦点位于有机玻璃管4中心处，来自测量点处的携带了微粒运动速度信息的散射光经由有机玻璃管4出射至管外球面镜5接收，其将散射光收集在探测器6的光敏面，最后随多普勒频率变化的信号输出至信号处理电路进行处理，获取即时数据信息。
该方案基于激光多普勒测速原理，利用运动微粒对入射光的调制作用，并考虑实际应用领域的结构紧凑要求，采用球面反射镜折叠光路，将测量点成像在光电探测器表面，探测器接收到按多普勒频率变化的光信号，其中θ角是两束入射光经会聚凸透镜会聚后的夹角。确定了θ角就确定了信号频率与运动粒子的运动速度之间的线性关系。如果圆管的半径为a，将速度对时间积分并结合圆管截面积就能求出τ0时间内的流量：
结合附图，本发明的一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置，包括依次设置的激光器1、等光程分光棱镜2、会聚凸透镜3、有机玻璃管4、球面反射镜5和光电探测器6；
所述装置等光程分光棱镜2位于激光器1正前方，会聚凸透镜3位于有机玻璃管4与等光程分光棱镜2之间，球面反射镜5与会聚凸透镜3分别位于有机玻璃管4两侧，有机玻璃管4的中心为测量点，该测量点同时为会聚凸透镜3的焦点，测量点经球面反射镜5成像的像点位置放置光电探测器6。
所述激光器1采用半导体激光器。
所述光电探测器6采用雪崩二极管。
所述球面反射镜5采用轴外成像方式，测量点对球面反射镜成像的像点位置位于有机玻璃圆管外侧。
一种基于上述特殊流体流速和流量测定光学装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、启动激光器1，测量分光棱镜2两束出射光点之间的距离为d；
步骤2、调整会聚凸透镜3的位置，使其焦点位于有机玻璃管4的中心位置；
步骤3、利用步骤1中距离d与会聚凸透镜焦距f’，计算两束光线会聚角θ；计算两束光线会聚角θ的方法为：先测量从等光程分光棱镜出射的两支光束之间的距离d，利用计算出该会聚角θ。
步骤4、对光探测器输出的电信号进行频谱分析；
步骤5、将信号主频率输出至外部设备转换成速度；
步骤6、将速度值对时间进行积分，获取流量值。
本发明采用非接触式的光电传感方式测量液体流量，测量系统不会干扰流场的稳定性，测量精度受温度等环境因素的影响小。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
实施例
本实施的激光器1采用半导体激光器，且要求光束直径小。如图2所示，等光程分光棱镜2分光面镀半透半反膜，分出的两束光间距略小于会聚透镜3口径。会聚透镜的焦点位于圆管中心轴线处，如图2所示，会聚透镜的焦距应略大于圆管的半径，且圆管材料应采用透光性好且理化性质较稳定的有机玻璃等材料。上述结构确定了多普勒频率表达式的参数θ的值，测量两光束在等光程分光棱镜两束激光出射光点之间距离为d，会聚透镜焦距为f'，则由此可以求得θ表达式为进一步对照图2，球面反射镜的半径大于圆管半径，且要求对测量点进行离轴成像，为避免球差对测量结果产生较大影响，尽量使测量点位于球面镜近轴区域。根据球面反射镜的物像位置关系以及垂轴放大率公式可确定探测器位置，且注意主光线垂直于探测器光敏面以提高信噪比。再将获取的电流信号经过后续电路的I-V转换、滤波、放大、A/D转换等处理，获取信号的频率由获取流体流速，并根据计算出最终的流量信息。
本发明采用非接触式的光电传感方式测量液体流量，测量系统不会干扰流场的稳定性，测量精度受温度等环境因素的影响小。

Claims (6)

1.一种针对特殊流体流速和流量测定的光学装置，其特征在于，包括依次设置的激光器[1]、等光程分光棱镜[2]、会聚凸透镜[3]、有机玻璃管[4]、球面反射镜[5]和光电探测器[6]；
所述装置等光程分光棱镜[2]位于激光器[1]正前方，会聚凸透镜[3]位于有机玻璃管[4]与等光程分光棱镜[2]之间，球面反射镜[5]与会聚凸透镜[3]分别位于有机玻璃管[4]两侧，有机玻璃管[4]的中心为测量点，该测量点同时为会聚凸透镜[3]的焦点，测量点经球面反射镜[5]成像的像点位置放置光电探测器[6]。
2.根据权利要求1所述的针对特殊流体流速和流量测定的光学装置，其特征在于，所述激光器[1]采用半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的针对特殊流体流速和流量测定的光学装置，其特征在于，所述光电探测器[6]采用雪崩二极管。
4.根据权利要求1所述的针对特殊流体流速和流量测定的光学装置，其特征在于，所述球面反射镜[5]采用轴外成像方式，测量点对球面反射镜成像的像点位置位于有机玻璃圆管外侧。
5.根据权利要求1所述的特殊流体流速和流量测定光学装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、启动激光器[1]，测量分光棱镜[2]两束出射光点之间的距离为d；
步骤2、调整会聚凸透镜[3]的位置，使其焦点位于有机玻璃管[4]的中心位置；
步骤3、利用步骤1中距离d与会聚凸透镜焦距f’，计算两束光线会聚角θ；
步骤4、对光探测器输出的电信号进行频谱分析；
步骤5、将信号主频率输出至外部设备转换成速度；
步骤6、将速度值对时间进行积分，获取流量值。
6.根据权利要求5所述的特殊流体流速和流量测定的光学装置，其特征在于：步骤3计算两束光线会聚角θ的方法为：
先测量从等光程分光棱镜出射的两支光束之间的距离d，利用计算出该会聚角θ。
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