CN108802419B - 一种闭环式线速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭环式线速度传感器。该传感器的柔性涡扇通道部的一端与前端流体通道部连接，另一端与后端流体通道部连接；柔性涡扇通道部的内壁上设置柔性涡扇，外壁上设置电磁铁；后端流体通道部的外壁上设置封装电路板；电磁铁通过引线与封装电路板连接；柔性涡扇的扭转轴设置在柔性涡扇通道部的内壁上；扭转轴一端的轴面上均匀设置多个扇叶，每两个扇叶之间设置一个支撑梁，每个支撑梁上设置多对电阻应变片，每个电阻应变片通过引线与封装电路板连接；扭转轴另一端的轴面上均匀设置多个扭转平衡梁，扭转平衡梁与扇叶对应设置。本发明测量精度高、抗干扰能力强、成本低、操作简单、便于携带，且能够适应多种不同的流体介质，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及线速度测量技术领域，特别是涉及一种闭环式线速度传感器。
背景技术
随着近代工业的不断发展进步，工业参数的测量精度成为衡量一个国家工业水平的重要标志。目前，对流速参数的测量，尤其是高精度的流体流速的测量，实现起来仍然比较困难。流速传感器作为流体检测和控制过程中不可或缺的装置，虽然在电子技术和传感器技术的推动下有所发展，但仍然存在诸多问题。
对于传统机械式的流速测量装置，例如旋浆流速仪，需要测量仪器与流体有直接接触，这不仅影响了流体本身的运动情况，导致测量的误差增大、精度降低，而且应用条件十分局限，不便于携带；对于非接触式的新型测量装置，例如超声波流速仪、激光流速仪、声学多普勒效应流速仪和粒子图像测速系统等，虽然较传统机械式的流速测量装置，在一定程度上提高了测量精度，但存在价格昂贵，使用条件苛刻，操作复杂，易受电磁波干扰的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种测量精度高、适用范围广、成本低、操作简单的闭环式线速度传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种闭环式线速度传感器，包括：柔性涡扇通道部、前端流体通道部、后端流体通道部、封装电路板、电阻应变片和电磁铁；
所述柔性涡扇通道部的一端与所述前端流体通道部通过螺纹连接，另一端与所述后端流体通道部通过螺纹连接；所述柔性涡扇通道部的内壁上设置柔性涡扇，所述柔性涡扇通道部的外壁上设置所述电磁铁；所述后端流体通道部的外壁上设置所述封装电路板；所述电磁铁通过引线与所述封装电路板连接；
所述柔性涡扇包括扭转轴、多个扇叶、多个支撑梁和多个扭转平衡梁；所述扭转轴设置在所述柔性涡扇通道部的内壁上，且所述扭转轴的端面与所述柔性涡扇通道部的开口面平行；所述扭转轴一端的轴面上均匀设置多个所述扇叶，每两个所述扇叶之间设置一个所述支撑梁，每个所述支撑梁上设置多对电阻应变片，每个所述电阻应变片通过所述引线与所述封装电路板连接；所述扭转轴另一端的轴面上均匀设置多个所述扭转平衡梁，所述扭转平衡梁与所述扇叶对应设置；所述扭转轴、多个所述扇叶、多个所述支撑梁和多个所述扭转平衡梁注塑一体成型。
可选的，所述传感器还包括前端外壳和后端外壳；所述前端外壳分别与所述前端流体通道部和所述柔性涡扇通道部通过螺纹连接，所述后端外壳分别与所述后端流体通道部和所述柔性涡扇通道部通过螺纹连接；所述前端外壳和所述后端外壳通过螺纹连接，且连接处位于所述柔性涡扇通道部上；所述后端外壳上设置所述封装电路板。
可选的，所述传感器还包括多个密封圈；所述柔性涡扇通道部与所述前端流体通道部的连接处、所述柔性涡扇通道部和所述后端流体通道部的连接处、所述前端外壳与所述前端流体通道部的连接处、所述后端外壳和所述后端流体通道部的连接处、所述前端外壳和所述后端外壳的连接处均设置有所述密封圈。
可选的，所述柔性涡扇通道部的外壁上设置有滑槽和凹槽；所述滑槽用于设置所述电磁铁，所述凹槽用于所述引线引出或引入。
可选的，所述传感器还包括电磁铁支撑板，所述电磁铁支撑板设置在所述滑槽内，用于支撑所述电磁铁。
可选的，所述支撑梁的材料为聚合物；所述扇叶和所述扭转平衡梁的材料均为金属合金。
可选的，所述支撑梁的材料为聚丙烯；所述扇叶和所述扭转平衡梁的材料均为铝合金。
可选的，所述所述聚合物的强度模量比与所述金属合金的强度模量比的关系为：
(sy1/E1)≈3×(sy2/E2)
其中(sy1/E1)表示聚合物的强度模量比，sy1表示聚合物的屈服强度，E1表示聚合物的弹性模量；(sy2/E2)表示金属合金的强度模量比，sy2表示金属合金的屈服强度，E2表示金属合金的弹性模量。
可选的，所述前端流体通道部远离所述柔性涡扇通道部的一端的开口为喇叭状。
可选的，所述传感器与被测流体接触的表面均涂覆有环氧树脂涂料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种闭环式线速度传感器，该传感器设置有柔性涡扇通道部和柔性涡扇，利用待测流体对扇叶的冲击，把待测流体的相对运动转化为扇叶的扭矩，进而引起支撑梁上的电阻应变片发生形变，利用电阻应变片所改变的阻值，在封装电路板中形成反馈控制系统的输出电压，封装电路板通过对电磁铁输入电流的反馈控制，使其产生电磁力来吸引扭转平衡梁，这样使得扭转平衡梁恢复到平衡位置，进而扇叶平衡因流体作用产生的扭矩，实现扇叶在扭转平衡点位置的反馈控制。当扇叶在流体介质中稳定于其扭转平衡位置时，电磁铁的输入电信号大小、方向与传感器在待测流体中的相对运动速度成正比，从而实现流体线速度的实时测量。该传感器测量精度高、抗干扰能力强、成本低、操作简单、便于携带，并且可以方便地更换柔性涡扇的材料，通过更换柔性涡扇的材料，使得传感器能够适应多种不同的流体介质，适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例一种闭环式线速度传感器的剖面图；
图2为本发明实施例一种闭环式线速度传感器的左视图；
图3为本发明实施例一种闭环式线速度传感器的立体图；
图4为本发明实施例柔性涡扇的结构示意图；
图5为闭环式线速度传感器中电磁铁的电流-流速特性曲线图；
图6为闭环式线速度传感器中柔性涡扇的扭矩-流速特性曲线图；
图7为反馈控制系统中的电阻应变片参与的差分放大电路的电路图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种闭环式线速度传感器的剖面图；图2为本发明实施例一种闭环式线速度传感器的左视图；图3为本发明实施例一种闭环式线速度传感器的立体图。
参见图1-3，实施例的闭环式线速度传感器包括：柔性涡扇通道部1、前端流体通道部2、后端流体通道部3、封装电路板4、电阻应变片5和电磁铁6。
所述柔性涡扇通道部1的一端与所述前端流体通道部2通过螺纹连接，另一端与所述后端流体通道部3通过螺纹连接；所述柔性涡扇通道部1的内壁上设置柔性涡扇，所述柔性涡扇通道部1的外壁上设置所述电磁铁6；所述后端流体通道部3的外壁上设置所述封装电路板4；所述电磁铁6通过引线与所述封装电路板4连接。
图4为本发明实施例柔性涡扇的结构示意图。参见图1-图4，所述柔性涡扇包括扭转轴7、多个扇叶8、多个支撑梁9和多个扭转平衡梁10；所述扭转轴7设置在所述柔性涡扇通道部1的内壁上，且所述扭转轴7的端面与所述柔性涡扇通道部1的开口面平行；所述扭转轴7一端的轴面上均匀设置多个所述扇叶8，每两个所述扇叶8之间设置一个所述支撑梁9，每个所述支撑梁9上设置多对电阻应变片5，每个所述电阻应变片5通过所述引线与所述封装电路板4连接；所述扭转轴7另一端的轴面上均匀设置多个所述扭转平衡梁10，所述扭转平衡梁10与所述扇叶8对应设置；所述扭转轴7、多个所述扇叶8、多个所述支撑梁9和多个所述扭转平衡梁10注塑一体成型，所述柔性涡扇能够避免轴承支撑所带来的摩擦影响，降低传感器测量零点附近的死区范围。本实施例中，设置有3个扇叶8，3个支撑梁9、3个扭转平衡梁10和3个电磁铁6，每个所述支撑梁9上设置2对受压的应变片对和2对受拉的应变片对，每对应变片对均包括两个电阻应变片5，每对的两个电阻应变片5设置在所述支撑梁9中心线的两侧，本实施例共设置有12对应变片对。
作为一种可选的实施方式，所述传感器还包括前端外壳11和后端外壳12；所述前端外壳11分别与所述前端流体通道部2和所述柔性涡扇通道部1通过螺纹连接，所述后端外壳12分别与所述后端流体通道部3和所述柔性涡扇通道部1通过螺纹连接；所述前端外壳11和所述后端外壳12通过螺纹连接，且连接处位于所述柔性涡扇通道部1上；所述后端外壳12上设置所述封装电路板4。
作为一种可选的实施方式，所述传感器还包括多个密封圈13；所述柔性涡扇通道部1与所述前端流体通道部2的连接处、所述柔性涡扇通道部1和所述后端流体通道部3的连接处、所述前端外壳11与所述前端流体通道部2的连接处、所述后端外壳12和所述后端流体通道部3的连接处、所述前端外壳11和所述后端外壳12的连接处均设置有所述密封圈13。本实施例中设置有5个密封圈13，所述密封圈13采用NBR丁腈橡胶矩形密封圈，以扩大传感器到的适用范围，降低成本。密封圈一方面为了提高传感器的密封性，防止待测流体进入传感器内部电路，影响传感器的工作；另一方面为了减缓待测流体对扇叶叶片的冲击，避免不必要的弯曲现象，提高对扭转的响应精度。
作为一种可选的实施方式，所述柔性涡扇通道部1的外壁上设置有滑槽14和凹槽15；所述滑槽14用于设置所述电磁铁6，所述凹槽15用于所述引线引出或引入。
作为一种可选的实施方式，所述传感器还包括电磁铁支撑板16，所述电磁铁支撑板16设置在所述滑槽14内，用于支撑所述电磁铁6。本实施例中设置有3个电磁铁支撑板16。
作为一种可选的实施方式，所述支撑梁9的材料为高强度模量比的聚合物，这样保证能产生有效的形变量，提高电阻应变片5的响应精度；所述扇叶8和所述扭转平衡梁10的材料均为金属合金，以减少在待测流体冲击下产生不必要的弯曲变形。
作为一种可选的实施方式，所述所述聚合物的强度模量比与所述金属合金的强度模量比的关系为：
(sy1/E1)≈3×(sy2/E2)
其中(sy1/E1)表示聚合物的强度模量比，sy1表示聚合物的屈服强度，E1表示聚合物的弹性模量；(sy2/E2)表示金属合金的强度模量比，sy2表示金属合金的屈服强度，E2表示金属合金的弹性模量。
本实施例中，所述支撑梁9根据GB/T12670-2008选择的材料为聚丙烯PP-H,M,140-04-015；所述扇叶8和所述扭转平衡梁10根据GB/T3880.2-2006选择的材料为铝合金707；所述扭转平衡梁10的自由端的铁磁材料根据GB/T3077-1999选择钢42CrMo。
作为一种可选的实施方式，所述前端流体通道部2远离所述柔性涡扇通道部1的一端的开口为喇叭状，用于提高通过扇叶叶片缝隙的流体介质的流量，从而提高传感器的灵敏度。
作为一种可选的实施方式，所述传感器与被测流体接触的表面均涂覆有环氧树脂涂料，以避免待测流体对传感器的腐蚀作用。
本实施例还采用了ANSYSWorkbench软件对柔性涡扇结构进行流固耦合仿真。假设传感器的柔性涡扇工作在水流中，定义相关材料属性为：扇叶和扭转平衡梁的材料采用铝合金，其密度为2770kg/m3、弹性模量为71GPa、泊松比为0.33；支撑梁为聚丙烯，其密度为900kg/m3、弹性模量为1.4GPa、泊松比为0.4203。表1为不同扇叶渐变迎角在相同条件下产生的轴转矩表。
表1
根据表1可得，扇叶的桨距角的变化幅度为45°，以减少除扭转外其他转矩对支撑梁的影响，提高了传感器精度。
图5为闭环式线速度传感器中电磁铁的电流-流速特性曲线图，图6为闭环式线速度传感器中柔性涡扇的扭矩-流速特性曲线图。依据图5-图6，通过有限元分析可得，扇叶在满量程流速中产生扭矩为6.3208×10-4N·m，计算得出电磁铁产生电流大小为1.3146684A；传感器电磁铁电流-流速特性曲线的非线性度小于万分之一，即Δmax/vmax≈0.000008456；支撑梁的最大应力值为6.3075×106Pa，远小于聚丙烯材料的许用应力值；传感器出口流速均值(进口流速2m/s)为1.999875m/s，这个值反映了柔性涡扇对流速干扰极小。
所述电磁铁的电流计算式，可根据力矩平衡方法计算得出。
电磁铁吸引力的计算式为
F＝a(IW)2
其中a为与线圈横截面积、铁芯材质、气隙结构相关的参数，I为线圈电流，W为线圈匝数。
涡扇所产生的扭矩与电磁铁吸引力的平衡方程可表示为
T＝FL
其中T为涡扇所产生的扭矩，L为支撑梁的长度。
电阻应变片、电磁铁和封装电路板构成反馈控制系统，图7为反馈控制系统中的电阻应变片参与的差分放大电路的电路图。其中R1、R3表示输入电阻，R2表示接地电阻，U1、U2表示输入参考电压，U0表示放大电路工作电压(电源)，UN表示同相输入端电压，UP表示反相输入端电压，R4代表电阻应变片的阻值，根据差分放大电路基本原理，输入输出电压关系可表示为
UR3(R1+R2)＝U1R2(R3+R4)-U2R4(R1+R2)
若定义R1＝R3，且参考电压U1＝U2，那么输出量U与应变片阻值R4的关系为
进一步，定义电阻应变片的初始阻值R4等于R2，通过反馈输出量U，控制电磁铁的输入电流I，调整扭转平衡梁的受力，当输出量U为零时，即支撑梁处于初始平衡位置，此时输入电流I与流体线速度V成线性关系。
本实施例中所述电阻应变片选用温度自补偿箔式应变片，以克服连续工作中温度对电阻变化的影响；每个支撑梁中设置两对受压应变片合两对受拉应变片，以消除非线性误差，提高箔式应变片工作电压的灵敏度。
下面为本实施例所述的传感器的装配过程。
1)在装配前需要根据不同的被测流体介质，选择不同材质的柔性涡扇通道部和柔性涡扇，避免出现腐蚀等现象。将电阻应变片依次粘合在支撑梁中心线的两侧，每根梁上分别有两个受压应变片和两个受拉应变片，按照全桥差动电路连接，将引线引入柔性涡扇通道部外侧的凹槽中，并均匀地在引线和应变片上涂抹防腐蚀涂料。
2)装配时首先将柔性涡扇通道部和柔性涡扇固定；然后将前端流体通道部和后端流体通道部依次按照螺纹方式与柔性涡扇通道部连接，且彼此之间加入相应尺寸密封圈；再将电磁铁与电磁铁支撑板固定并安装在柔性涡扇通道部外侧的滑槽内，必须保证电磁铁支撑板安装到位，避免错位而导致反馈吸引力矩无法平衡涡扇扭矩。
3)上述安装步骤完成后再将后端外壳与后端流体通道部螺纹旋合，之间垫入相应尺寸的密封圈，同时将电磁铁引线、应变片引线穿过后端外壳的孔洞，接入封装电路板上。
4)上述安装步骤完成后，将前端外壳与后端外壳螺纹旋合，在前端外壳与后端外壳、前端流体通道部中间分别垫入密封圈，这一步骤必须保证前端外壳与前端流体通道部非螺纹连接处的密封圈受到足够的压力，以保证传感器整个装配过程密封性达到预期要求。
装配好的传感器在使用时，先将传感器与外接数据采集装置连接；再将传感器放入被测流体中，打开测试电源开关，确保传感器密封性良好，不存在短路、断路现象；关闭测试电源，打开测量电源，保证传感器流体通道与流动方向水平，读取外接数据采集装置的数据，实现对流体流速的测量。
本实施例中闭环式线速度传感器的测量精度高、抗干扰能力强、成本低、操作简单、便于携带，并且可以方便地更换柔性涡扇的材料，通过更换柔性涡扇的材料，使得传感器能够适应多种不同的流体介质，适用范围广。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种闭环式线速度传感器，其特征在于，包括：柔性涡扇通道部、前端流体通道部、后端流体通道部、封装电路板、电阻应变片和电磁铁；
所述柔性涡扇通道部的一端与所述前端流体通道部通过螺纹连接，另一端与所述后端流体通道部通过螺纹连接；所述柔性涡扇通道部的内壁上设置柔性涡扇，所述柔性涡扇通道部的外壁上设置所述电磁铁；所述后端流体通道部的外壁上设置所述封装电路板；所述电磁铁通过引线与所述封装电路板连接；
所述柔性涡扇包括扭转轴、多个扇叶、多个支撑梁和多个扭转平衡梁；所述扭转轴设置在所述柔性涡扇通道部的内壁上，且所述扭转轴的端面与所述柔性涡扇通道部的开口面平行；所述扭转轴一端的轴面上均匀设置多个所述扇叶，每两个所述扇叶之间设置一个所述支撑梁，每个所述支撑梁上设置多对电阻应变片，每个所述电阻应变片通过所述引线与所述封装电路板连接；所述扭转轴另一端的轴面上均匀设置多个所述扭转平衡梁，所述扭转平衡梁与所述扇叶对应设置；所述扭转轴、多个所述扇叶、多个所述支撑梁和多个所述扭转平衡梁注塑一体成型；所述支撑梁的材料为聚合物；所述扇叶和所述扭转平衡梁的材料均为金属合金；
所述封装电路板用于根据所述支撑梁上的电阻应变片发生形变所改变的阻值，通过对所述电磁铁输入电流的反馈控制，实现所述扇叶在扭转平衡点位置的反馈控制，并根据所述电磁铁的输入电信号大小和方向实现流体线速度的测量。
2.根据权利要求1所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，还包括前端外壳和后端外壳；所述前端外壳分别与所述前端流体通道部和所述柔性涡扇通道部通过螺纹连接，所述后端外壳分别与所述后端流体通道部和所述柔性涡扇通道部通过螺纹连接；所述前端外壳和所述后端外壳通过螺纹连接，且连接处位于所述柔性涡扇通道部上；所述后端外壳上设置所述封装电路板。
3.根据权利要求2所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，还包括多个密封圈；所述柔性涡扇通道部与所述前端流体通道部的连接处、所述柔性涡扇通道部和所述后端流体通道部的连接处、所述前端外壳与所述前端流体通道部的连接处、所述后端外壳和所述后端流体通道部的连接处、所述前端外壳和所述后端外壳的连接处均设置有所述密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，所述柔性涡扇通道部的外壁上设置有滑槽和凹槽；所述滑槽用于设置所述电磁铁，所述凹槽用于所述引线引出或引入。
5.根据权利要求4所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，还包括电磁铁支撑板，所述电磁铁支撑板设置在所述滑槽内，用于支撑所述电磁铁。
6.根据权利要求1所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，所述支撑梁的材料为聚丙烯；所述扇叶和所述扭转平衡梁的材料均为铝合金。
7.根据权利要求1所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，所述所述聚合物的强度模量比与所述金属合金的强度模量比的关系为：
其中
表示聚合物的强度模量比，sy1表示聚合物的屈服强度，E1表示聚合物的弹性模量；
表示金属合金的强度模量比，sy2表示金属合金的屈服强度，E2表示金属合金的弹性模量。
8.根据权利要求1所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，所述前端流体通道部远离所述柔性涡扇通道部的一端的开口为喇叭状。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种闭环式线速度传感器，其特征在于，所述传感器与被测流体接触的表面均涂覆有环氧树脂涂料。
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