CN115790736A - 一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，包括旋进旋涡发生装置、加速度检测模块、嵌入式系统和封装有MEMS芯片的三轴加速度探头，旋进旋涡发生装置上安装有三轴加速度探头，三轴加速度探头中，设定与流体方向一致的为流体主冲击轴；与探头插入方向一致的为辅助测量轴；同时垂直于流体方向及探头插入方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴；三轴加速度探头用于测量发生管内流体的三维加速度信息，三轴加速度探头通过连接线依次与加速度检测模块和嵌入式系统连接；加速度检测模块由依次相连的输入信号调理电路、射频滤波器、差动处理电路和输出信号调理电路组成；嵌入式系统包括AD转换单元、通讯单元、存储单元、CPU计算单元和显示单元。
Description
技术领域
本发明属于旋进漩涡频率信号检测技术领域，涉及一种基于MEMS三轴加速度测量技术且能够消除干扰噪声的两轴差动处理技术，具体的说，是一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器。
背景技术
旋进漩涡流量计作为一种速度式流量计，以其成本低、无可动部件、可靠性高、操作维修简单并且不受流体密度、黏度等物性参数影响等优点而被广泛应用于石油、化工、电力、冶金、城市供气等行业的各种气体流量测量，是目前中国油田特别是上游计量的首选产品。
旋进漩涡流量计根据强迫振动的漩涡进动原理实现流量的测量，故对于流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号同样特别敏感。经典的旋进漩涡流量计所使用的压电传感器存在难以同时区分漩涡进动信号与干扰噪声信号的问题，这为后续的信号处理以及进动频率提取增加了极大的难度。尤其是在测量较低流速时，旋涡进动频率信号较弱，易被干扰噪声所淹没，测量效果较差。
在有干扰噪声尤其是流体脉动噪声的情况下如何高效准确识别出漩涡进动频率是提高传感器性能的关键。目前众多学者在旋进漩涡流量计去除干扰噪声方面做了许多尝试，如专利CN 101769769B(三探头式旋进漩涡流量计)发明了一种三探头式旋进漩涡流量计，三个压电陶瓷晶体依壳体中心轴线互呈120°均匀分布用于同时检测流体漩涡进动信号以及管路振动和脉动流噪声，根据三路漩涡进动信号之间的固定相位关系可用于消除干扰噪声，但此种方式结构复杂，对流场扰动和破环作用增强，生产成本高。专利CN 110174144A(一种旋进漩涡气体流量计)发明了一种旋进漩涡气体流量计，通过设有橡胶套与减震装置，将连接管道产生的振动进行缓冲减小，防止连接管道上的振动力直接作用在旋进旋涡气体流量计上所导致的机械振动，以解决上述问题所造成的检测误差。但此种方式安装操作繁琐，并且由于安装空间有限不适用于工业现场测量。
由于流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号在频率范围以及对探头的作用力方向上都与漩涡信号有明显的区别。尤其在方向特性上，干扰噪声信号在探头的三个方向上均有作用，而漩涡进动信号的作用方向是唯一的。这一特性为区分漩涡进动信号与干扰噪声信号提供了很好的依据。MEMS三轴加速度传感技术的快速发展为漩涡进动频率信号检测提供了新的可能，将其代替经典旋进漩涡流量计的压电陶瓷晶体可实现管道中三维空间的流体漩涡进动信号测量，获得更多有价值的流体信息。专利CN 103727985 A(基于三轴加速度计的柔性涡街探头)提出使用三轴加速度计进行涡街信号测量时，X轴为振动敏感轴，Z轴为涡街敏感轴，Y轴为辅助测量轴。虽说明了如何区分涡街信号与干扰信号，但未明确指明如何利用多轴测量进行流量计抗干扰能力的提升，并且涡街信号与旋进漩涡信号从形成方式、检测原理上有明显不同。涡街流量计基于流体自然振动的原理，即卡门涡街现象，流体经过一非流线形阻流体(发生体)时，产生漩涡分离，并在尾迹形成稳定的涡列，从而产生涡街信号。而旋进漩涡流量计基于强迫振动的漩涡进动原理，流体经过起旋器后迫使流体发生旋转，形成漩涡流，漩涡中心为涡核，涡核外围为环流，流体进入扩张段后，漩涡速度急剧下降，压力上升，在压差的作用下产生二次旋转流，涡核发生偏转，从而产生进动漩涡。因此，旋进漩涡信号与涡街信号在检测原理上有明显不同，且在旋进漩涡频率信号检测中尚未出现一种结构简单，效果显著的抗干扰的信号检测技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能够消除干扰噪声的并用于检测旋进漩涡频率信号的智能传感器，从而实现流量的稳定、可靠、高精度计量。本发明将三轴加速度检测MEMS芯片代替压电陶瓷晶体，并依据漩涡进动信号与干扰噪声信号作用力方向的差异性，利用基于三轴测量的双差动处理技术来消除干扰噪声。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，包括旋进旋涡发生装置、加速度检测模块、嵌入式系统和封装有MEMS芯片的三轴加速度探头，所述旋进旋涡发生装置由发生管、起旋器和解旋器组成，所述起旋器和解旋器分别设置于发生管的前，后两端，所述发生管从前向后依次分为输入管、收缩段、喉部、扩张段和输出管，所述输入管内径大于喉部内径，所述输出管内径大于输入管内径，收缩段的内径从前向后依次降低，扩张段的内径从前向后依次增大；
所述发生管上安装有所述三轴加速度探头，三轴加速度探头中，设定与流体方向一致的为流体主冲击轴；与探头插入方向一致的为辅助测量轴；同时垂直于流体方向及探头插入方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴；所述三轴加速度探头用于测量发生管内流体的三维加速度信息，所述三轴加速度探头通过连接线依次与加速度检测模块和嵌入式系统连接；
所述加速度检测模块由依次相连的输入信号调理电路、射频滤波器、差动处理电路和输出信号调理电路组成；
所述嵌入式系统包括AD转换单元、通讯单元、存储单元、CPU计算单元和显示单元，所述AD转换单元、存储单元、CPU计算单元、显示单元均与通讯单元连接，所述存储单元和CPU计算单元连接。
进一步的，所述三轴加速度探头由圆柱形壳体、PCB电路板、导电金属棒和卡环组成，所述卡环安装于圆柱形壳体的上部用于固定三轴加速度探头；所述圆柱形壳体的下部通过弧形过渡段一体形成有扁平状鸭嘴结构，所述圆柱形壳体的内部从下到上依次设有矩形凹槽和圆形凹槽，所述圆形凹槽内壁上相对称的设有金属棒安装槽，所述PCB电路板的底部安装有三轴加速度芯片，所述PCB电路板的顶部设有接地的连接孔，所述导电金属棒通过所述连接孔与PCB电路板相连，所述PCB电路板安装于矩形凹槽内，通过所述金属棒安装槽及所述导电金属棒实现PCB电路板的安装与固定。
进一步的，PCB电路板安装于矩形凹槽后，所述矩形凹槽内以硅胶粘合剂填充直至淹没三轴加速度芯片，其余部分以环氧树脂粘合剂填充；所述圆柱形壳体由金属材料制成，所述矩形凹槽内壁涂敷有聚四氟乙烯绝缘喷涂层。
进一步的，所述发生管的管壁上安装有垂直于发生管轴线的安装孔，所述安装孔内安装有所述三轴加速度探头并确保扁平状鸭嘴结构的平面与发生管的轴线方向平行，三轴加速度探头能够安装于发生管内任意深度。
进一步的，所述安装孔设置于发生管的喉部或扩张段。
进一步的，PCB电路板上设置有电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压。
进一步的，通过分别将旋进漩涡敏感轴的输出信号、流体主冲击轴的输出信号与去除重力偏置后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理，消除流体脉动噪声以及发生管振动干扰，准确提取旋进漩涡频率信号。
进一步的，加速度检测模块中，流体主冲击轴的输出信号与旋进漩涡敏感轴的输出信号分别被馈送到输入信号调理电路，之后与去除重力偏置后的辅助测量轴的输出信号一起经过射频干扰滤波器实现抗电磁辐射干扰；最后依次经差动处理电路进行差动处理、输出信号调理电路进行放大增益调整后上传至嵌入式系统。
进一步的，所述嵌入式系统的输入的信号包括五路电信号，分别为：旋进漩涡敏感轴的输出信号、流体主冲击轴的输出信号、辅助测量轴的输出信号、旋进漩涡敏感轴与辅助测量轴进行差动处理后的信号、流体主冲击轴与辅助测量轴进行差动处理后的信号。
进一步的，AD转换单元的采样频率满足香农采样定理即采样频率为最大漩涡进动频率2倍及以上，并确保足够的采样时间；AD转换单元所采集的电压信号经通讯单元上传至CPU计算单元，并写入到存储单元，采样完毕后经CPU计算单元中内嵌的快速傅里叶变换函数提取漩涡进动频率信号并代入计量模型，计算结果经通讯单元上传至显示单元，实现气相流量的计量。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明三轴加速度探头具有测量管道流体三维加速度的能力，当探头垂直插入管道内部时，设定其中与流体方向一致的为流体主冲击轴；与探头插入方向一致的为辅助测量轴；垂直于流体方向与探头插入方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴。通过本发明传感器进行测量的过程中：首先，从辅助测量轴的输出信号中去除重力加速度的偏置电压。然后，分别将旋进漩涡敏感轴、流体主冲击轴输出信号与去除重力偏置后的振动干扰敏感轴输出信号进行差动处理，可实现流体脉动以及管道振动等干扰噪声的消除进而有助于漩涡进动频率的准确提取。
2.本发明传感器结构设计简单独特、流体信息检测丰富、成本低。即只采用单个MEMS芯片加速度探头，便实现了流体三维加速度信息的检测，获得了旋进漩涡敏感轴、流体主冲击轴、辅助测量轴，以及旋进漩涡敏感轴、流体主冲击轴分别与辅助测量轴差动电路等五路电信号。与其他多压电探头差动处理的旋进漩涡流量计或者抗干扰软件处理措施相比，本发明大大减弱了信号处理难度，简化了传感器结构，降低了生产成本。获得流体信息更为丰富，相比于其他传感器，可以获得包括三个轴向以及两路差动在内的五路信号输出，为复杂工况以及高精度的测量提供了可能性。
3.对比有、无差动电路的输出信号频谱图发现，依据漩涡进动信号与干扰噪声信号作用力方向差异性的差动技术处理方案可以显著提高流量计的抗干扰能力，改善了频率信号提取质量，漩涡进动频率功率幅值显著增强。即使在气相表观流速较低时，该传感器也保持在较高的灵敏度，可以准确的提取到漩涡信号的进动频率，提高了旋进漩涡频率信号的检测能力。同时漩涡进动频率的信号强度得到明显增强，远远高于其他干扰频率信号强度，处于主频地位，极大的简化了信号提取的难度，保证了实时测量传感器的准确性。
4.本发明传感器包括有加速度检测模块，为了获得更好的信噪比，在进行双轴差动前必须对信号进行适当的处理以去除噪声。因此，流体主冲击轴输出信号、旋进漩涡敏感轴输出信号首先被馈送到输入信号调理电路，然后与去除重力偏置后的辅助测量轴信号一起经过射频干扰滤波器实现抗电磁辐射干扰。最后，双轴信号一起被馈送到差动处理电路进行差动信号处理。为保证差动信号输出在适宜范围之内，增加输出信号调理电路，通过调整电阻值实现适当的放大增益，并经过低通滤波器进行滤波处理。因此本申请提高了输出信号的信噪比，具体表现在克服了流体噪声以及管道振动等干扰噪声，克服了工频干扰、射频干扰等电磁辐射干扰。
5.嵌入式系统中，AD转换单元的采样频率满足香农采样定理即采样频率为最大漩涡进动频率2倍及以上，并确保足够的采样时间；最终能够完成气相流量的高效准确计量。
6.降低了生产成本，相比于其他双探头测量，本传感器利用单个探头的差分技术便可以取得一致的良好测量效果。
附图说明
图1为本发明用于检测旋进漩涡频率信号智能传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的加速度检测模块与嵌入式系统的具体电路结构示意图。
图3-1是本发明实施例提供的三轴加速度探头的立体结构示意图。
图3-2是本发明实施例提供的三轴加速度探头的三视结构示意图。
图4为本发明实施例提供的三轴加速度探头在管道周向安装结构示意图。
图5为本发明实施例提供的三轴加速度探头在管道轴向安装以及插入深度结构示意图。
图6a和图6b为本发明实施例提供的射频滤波器在电路仿真软件上的输出信号图。
图7a至图7d为本发明实施例提供的不同气相流速下有、无差动信号处理电路的功率谱-频率测量结果对比图。
附图标记：
1-射频滤波器；2-差动处理电路；3-1-输出信号调理电路；3-2-输出信号调理电路；4-嵌入式系统；5-三轴加速度芯片；6-辅助测量轴；7-流体主冲击轴；8-旋进漩涡敏感轴；9-直流偏置电压；10-减法器；11-电压跟随器；12-仪表放大器；13-运算放大器；14-AD转换单元；15-通讯单元；16-存储单元；17-CPU计算单元；18-显示单元；19-起旋器；20-发生管；21-三轴加速度探头；22-解旋器；23-收缩段；24-喉部；25-扩张段；26-硅胶填充物；27-PCB电路板；28-环氧树脂填充物；29-聚四氟乙烯绝缘喷涂层；30-导电金属棒；31-圆形凹槽金属内壁；32-金属棒安装槽；33-矩形凹槽；34-圆形凹槽；35-卡环。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例提供一种用于检测旋进漩涡频率信号的智能传感器，包括旋进旋涡发生装置、加速度检测模块、嵌入式系统4和封装有MEMS芯片的三轴加速度探头21。
其中旋进旋涡发生装置由发生管20、起旋器19和解旋器22组成，起旋器19和解旋器22分别设置于发生管20的前，后两端；发生管20类似于文丘里管，从前向后依次由输入管、收缩段23、喉部24、扩张段25和输出管相互连接组成，输入管内径大于喉部24内径，输出管内径大于输入管内径，收缩段23的内径从前向后依次降低，扩张段25的内径从前向后依次增大，流体经收缩段23的起旋器产生旋流，旋流经过喉部24时由管道轴线中心的涡核以及环流所组成，经过扩张段25时产生漩涡进动现象，三轴加速度探头21所检测的漩涡进动频率与流量成正比。
三轴加速度探头21用于测量发生管20内流体的三维加速度信息，三轴加速度探头21通过连接线依次与加速度检测模块和嵌入式系统4连接；本实施例中将封装有三轴加速度芯片5的三轴加速度探头21装于发生管20上，三轴加速度探头21中，设定与流体方向一致的为流体主冲击轴7；与探头插入方向一致的为辅助测量轴6；同时垂直于流体方向及探头插入方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴8；三轴加速度探头21能够测量三个轴向信号，故其具有测量管道流体三维加速度的能力，通过分别将旋进漩涡敏感轴8输出信号、流体主冲击轴7输出信号与去除重力偏置电压9后的辅助测量轴6输出信号进行差动处理，从而消除流体脉动噪声以及管道振动干扰，可用于准确提取旋进漩涡频率信号。即只采用单个MEMS芯片加速度探头，实现了流体三维加速度信息的检测，获取了包括旋进漩涡敏感轴8的输出信号UZ、流体主冲击轴7的输出信号UX、辅助测量轴6的输出信号UY，以及旋进漩涡敏感轴8与辅助测量轴6进行差动处理后的信号UZ-Y、流体主冲击轴7与辅助测量轴6进行差动处理后的信号UX-Y的五路电信号输出。
见图2，加速度检测模块由依次相连的输入信号调理电路3-1、射频滤波器1、差动处理电路2和输出信号调理电路3-2组成。嵌入式系统包括AD转换单元14、通讯单元15、存储单元16、CPU计算单元17和显示单元18，AD转换单元14、存储单元16、CPU计算单元17、显示单元18均与通讯单元15连接，存储单元16和CPU计算单元17连接。
具体的，见图3-1和图3-2，本实施例中三轴加速度探头21由金属材料制成，包括圆柱形壳体、PCB电路板27、导电金属棒30和卡环35；卡环35安装于圆柱形壳体的上部用于固定三轴加速度探头；卡环可采用法兰盘结构，在与发生管连接时，卡环35底部设置垫片用于密封，卡环上通过连接螺母进行紧固。
圆柱形壳体的下部通过弧形过渡段一体形成有扁平状鸭嘴结构，圆柱形壳体的内部中空，其内部从下到上依次设有矩形凹槽33和圆形凹槽34，圆形凹槽34内壁上相对称的设有金属棒安装槽32，具体是在圆形凹槽34内壁切割两个呈对称状并垂直于矩形凹槽33较长边的金属棒安装槽32，切割深度至矩形凹槽33顶部；
PCB电路板27的底部一侧安装有三轴加速度芯片5，PCB电路板27从圆形凹槽34内插入到底部的矩形凹槽33内。矩形凹槽33壁面喷涂聚四氟乙烯绝缘材料29以防止PCB电路板27电极信号与探头金属内壁短接，圆形凹槽34及金属棒安装槽32的壁面不做处理,形成具有导电性的金属内壁31。PCB电路板27的上部有一与PCB电路板27的接地端GND相连通的连接孔，导电金属棒30穿过连接孔并焊接在PCB电路板27上。在三轴加速度探头21中插入PCB电路板27时，PCB电路板27上的导电金属棒30两端放置在金属棒安装槽32内，直至插入底部。导电金属棒30即起到PCB电路板27的限位作用，保证PCB电路板27与矩形凹槽33的壁面不发生接触，也保证三轴加速度芯片5与矩形凹槽33的壁面不发生接触。导电金属棒30还起到PCB电路板27的接地端GND与三轴加速度探头21的金属外壳相连的作用。因此三轴加速度探头21内孔中只有矩形凹槽33壁面喷涂聚四氟乙烯绝缘喷涂层29，圆形凹槽34及金属棒安装槽32的壁面裸露处于导电状态。
PCB电路板27安装在矩形凹槽33内后，以硅胶填充物26填充矩形凹槽33直至淹没三轴加速度芯片5，由于硅胶填充物26质地较软易于MEMS检测旋进漩涡进动频率信号，且能很好填充空隙部分起到固定PCB电路板27以及三轴加速度芯片5的作用。其余部分以环氧树脂填充物28填充，因环氧树脂填充物28具有较强的耐压以及机械强度。
具体的，见图4和图5，在进行管道流量测量时，发生管的管壁上安装有垂直于发生管轴线的安装孔，三轴加速度探头27通过安装孔垂直插入发生管的管道内部并通过卡环35固定，周向插入位置可为任意方向，即可自上而下插入，也可自下而上插入，也可侧面插入。插入深度为管道内径的1/4至1/2处均可，插入位置为喉部24至扩张段25部分任意位置。三轴加速度探头21在管道中将扁平状压嘴结构的平面部分与管道轴线方向平行。
具体的，见图2，输入信号调理电路3-1由减法器10和电压跟随器11组成；射频滤波器1由两路低通滤波器以及差分电容器共同组成；差动处理电路2由仪表放大器12组成，输出信号调理电路3-2由运算放大器组成；本实施例中PCB电路板上设置有电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压9输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压。受到三轴加速度探头21安装位置的影响，三轴加速度芯片5在辅助测量轴6上始终存在重力加速度的输出，所以进行差动放大前，首先要消除辅助测量轴6输出信号中的直流偏置电压9Uoffset。故将辅助测量轴6输出信号与直流偏置电压9Uoffset作为减法器10的输入。为了获得更好的信噪比，保证后续信号处理电路对于原信号无影响，将流体主冲击轴7、旋进漩涡敏感轴8的输出信号馈送到电压跟随器11进行信号隔离。然后分别将隔离后的流体主冲击轴7、旋进漩涡敏感轴8的输出信号与去除重力偏置后的辅助测量轴6的输出信号通过射频滤波器1进行消除电磁辐射干扰处理，射频滤波器1由两路低通滤波器以及差分电容器共同组成，可以有效衰减共-差模的射频干扰信号。
图6a和图6b为本发明实施例提供的射频滤波器在电路仿真软件输出信号。采用Multisim进行射频滤波器电路特性仿真，通过调节阻值以及差分容值实现较好的共-差模频率截至特性。滤波器-3dB时差模截止频率一般为漩涡进动最高频率，共模截止频率一般为10倍漩涡进动频率以上，故在射频滤波器1在-3dB时的共-差模截止频率分别为39.5kHz和3.5KHz。随后流体主冲击轴7、旋进漩涡敏感轴8的输出信号被馈送到仪表放大器12的反相输入与非反相输入进行差动放大，放大增益为A1。为保证差动信号输出在适宜范围之内，增加输出信号调理电路3-2，通过调整电阻值实现适当的放大增益A2，并经过低通滤波器进行滤波处理。最终差动处理电路输出可以表示为：
Uout＝A1·A2·(Ui-(UY-Uofset)) i＝Z，X
所获得的包括旋进漩涡敏感轴8输出信号UZ、流体主冲击轴7输出信号UX、辅助测量轴6输出信号UY，以及旋进漩涡敏感轴8、旋进漩涡敏感轴8与辅助测量轴6进行差动处理后的信号UZ-Y、流体主冲击轴7与辅助测量轴6进行差动处理后的信号UX-Y，上述五路电信号经AD转换单元14采样，其采样频率满足香农采样定理即采样频率为最大漩涡进动频率2倍及以上，并确保足够的采样时间。AD转换单元14所采集的电压信号经通讯单元15上传至CPU计算单元17，并写入到数据存储单元16，采样完毕后经CPU计算单元17中内嵌的快速傅里叶变换函数提取漩涡进动频率信号并代入计量模型，计算结果经通讯单元15上传至仪表显示单元18从而完成气相流量的高效准确计量。
将有、无差动处理的三轴加速度探头21进行了气体流动对比实验。在保证相同的三轴加速度芯片5及其封装探头21、发生管20、起旋器19、气相流速的前提下，依次使用有、无差动处理电路的硬件系统进行数据采集。无差动处理电路的旋进漩涡敏感轴8输出信号以及增加差动处理电路后旋进漩涡敏感轴8与辅助测量轴6输出信号的差动信号频谱图如图7a至图7d所示。
当气相表观流速为3m/s时，如图7a中所示，无差动处理的电路所采集的信号在低频段不仅有强烈的干扰噪声频率fZ1：35.4132Hz，还有明显的工频倍频干扰频率fZ2：99.9421Hz，并且干扰噪声信号强度远远高于漩涡进动频率fZ3：479.149Hz的信号强度。这为旋进旋涡发生装置的漩涡进动频率提取增加了极大的难度，并且旋进漩涡发生装置用于较低气相流速时，受到低频段干扰信号带的影响，其测量精度将会降低。而增加两轴差动信号处理电路后的漩涡进动频率fZY1：479.488Hz占据主频地位，上述的低频段干扰噪声频率fZ1：35.4132Hz以及工频倍频干扰频率fZ2：99.9421Hz均被差动消除了。
当气相表观流速为15m/s时，如图7d中所示，由于流体速度增加导致流体噪声增大，干扰频率fZ1：21.2066Hz取代漩涡进动频率fZ2：2389.57Hz占据主频地位，而增加两轴差动信号处理电路后的频谱图中只存在漩涡进动频率fZY1：2389.55Hz，其他干扰频率被明显消除。
当气相表观流速为7m/s以及12m/s时，如图7b和图7c中所示，即使漩涡进动频率为信号主频，但在较低频段仍有不同程度的干扰频率存在，而相同工况条件下经过差动信号处理电路后，无其他任何干扰频率。即使气相表观流速较低时(3m/s)，该传感器也保持在较高的灵敏度，可以准确的提取到漩涡信号的进动频率。同时漩涡进动频率的信号强度得到明显增强，远远高于其他干扰频率信号强度，极大的简化了信号提取的难度，保证了实时测量传感器的准确性。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，包括旋进旋涡发生装置、加速度检测模块、嵌入式系统和封装有MEMS芯片的三轴加速度探头，所述旋进旋涡发生装置由发生管、起旋器和解旋器组成，所述起旋器和解旋器分别设置于发生管的前，后两端，所述发生管从前向后依次分为输入管、收缩段、喉部、扩张段和输出管，输入管内径大于喉部内径，输出管内径大于输入管内径，收缩段的内径从前向后依次降低，扩张段的内径从前向后依次增大；
所述发生管上安装有所述三轴加速度探头，三轴加速度探头中，设定与流体方向一致的为流体主冲击轴；设定与探头插入方向一致的为辅助测量轴；设定同时垂直于流体方向及探头插入方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴；所述三轴加速度探头用于测量发生管内流体的三维加速度信息，所述三轴加速度探头通过连接线依次与加速度检测模块和嵌入式系统连接；
所述加速度检测模块由依次相连的输入信号调理电路、射频滤波器、差动处理电路和输出信号调理电路组成；
所述嵌入式系统包括AD转换单元、通讯单元、存储单元、CPU计算单元和显示单元，所述AD转换单元、存储单元、CPU计算单元、显示单元均与通讯单元连接，所述存储单元和CPU计算单元连接。
2.根据权利要求1所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，所述三轴加速度探头由圆柱形壳体、PCB电路板、导电金属棒和卡环组成，所述卡环安装于圆柱形壳体的上部用于固定三轴加速度探头，所述圆柱形壳体的下部通过弧形过渡段一体形成有扁平状鸭嘴结构，所述圆柱形壳体的内部从下到上依次设有矩形凹槽和圆形凹槽，所述圆形凹槽内壁上相对称的设有金属棒安装槽，所述PCB电路板的底部安装有三轴加速度芯片，所述PCB电路板的顶部设有接地的连接孔，所述导电金属棒通过所述连接孔与PCB电路板相连，所述PCB电路板安装于矩形凹槽内，通过所述金属棒安装槽及所述导电金属棒实现PCB电路板的安装与固定。
3.根据权利要求2所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，PCB电路板安装于矩形凹槽后，所述矩形凹槽内以硅胶粘合剂填充直至淹没三轴加速度芯片，其余部分以环氧树脂粘合剂填充；所述圆柱形壳体由金属材料制成，所述矩形凹槽内壁涂敷有聚四氟乙烯绝缘喷涂层。
4.根据权利要求2所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，所述发生管的管壁上安装有垂直于发生管轴线的安装孔，所述安装孔内安装有所述三轴加速度探头并确保扁平状鸭嘴结构的平面与发生管的轴线方向平行，三轴加速度探头能够安装于发生管内任意深度。
5.根据权利要求4所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，所述安装孔设置于发生管的喉部或扩张段。
6.根据权利要求2所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，PCB电路板上设置有电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于差分消除由地球重力加速度引起的重力偏置电压。
7.根据权利要求1或6所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，通过分别将旋进漩涡敏感轴的输出信号、流体主冲击轴的输出信号与去除重力偏置后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理，消除流体脉动噪声以及发生管振动干扰，准确提取旋进漩涡频率信号。
8.根据权利要求1所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，加速度检测模块中，流体主冲击轴的输出信号与旋进漩涡敏感轴的输出信号分别被馈送到输入信号调理电路，之后与去除重力偏置后的辅助测量轴的输出信号一起经过射频干扰滤波器实现抗电磁辐射干扰；最后依次经差动处理电路进行差动处理、输出信号调理电路进行放大增益调整后上传至嵌入式系统。
9.根据权利要求1所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，所述嵌入式系统的输入的信号包括五路电信号，分别为：旋进漩涡敏感轴的输出信号、流体主冲击轴的输出信号、辅助测量轴的输出信号、旋进漩涡敏感轴与辅助测量轴进行差动处理后的信号、流体主冲击轴与辅助测量轴进行差动处理后的信号。
10.根据权利要求9所述一种用于检测旋进漩涡频率信号的传感器，其特征在于，AD转换单元的采样频率满足香农采样定理即采样频率为最大漩涡进动频率2倍及以上，并确保足够的采样时间；AD转换单元所采集的电压信号经通讯单元上传至CPU计算单元，并写入到存储单元，采样完毕后经CPU计算单元中内嵌的快速傅里叶变换函数提取漩涡进动频率信号并代入计量模型，计算结果经通讯单元上传至显示单元，实现气相流量的计量。
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