CN1325020A - 光学流量传感器 - Google Patents

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Abstract

一种光学流量传感器和测定沿预定线性方向的气流速度的方法。传感器包括发光装置、光接收装置、受信号控制的增益放大器、模数转换器和数字信号处理器。方法包括发射准直光束、接收准直光束、产生输出信号、放大输出信号并使之数字化,提供速度输出信号。

Description

光学流量传感器
本发明涉及一种光学流传感器，该传感器使来自多个光检测器的数字化信号交叉相关，而这些光检测器在平行于气流的预定方向上是分开的。本发明还涉及一种确定预定方向上的气流速度的方法。
精确的流速测量代表对气体排放中污染物的工业和环境监视中的最大的一个问题。空气污染的问题变得如此尖锐，而使得必须按照限制气体排放的规定或法律来监视任何规模的工业。尽管确定气流中污染物、杂质、有害气体的浓度已经达到了可靠的水平，但对流速(rate)因此也是对流量的监视目前还很不准确。因此，对从任一特定设施引起的污染程度的确定迄今还是很不确定的。
目前对流速进行估计的技术通常有赖于一种侵入气流通道如烟囱或工业处理厂烟道中的点传感器。对于工业应用和环境应用来说，采用这种仪器来获得流速的估计通常是不合适的。问题是，深入流动介质中的传感器头改变了所得的流体测量。另外，是监视的流体介质通常很脏，并且具有腐蚀性。用流体介质直接接触传感器头通常会很快弄脏传感器头，从而使传感器的维护成为一个主要的问题。
人们设想设计一种超声波流量测量装置。但是，超声波流量测量仪价格昂贵，而且正确性不够。
因为污染物和杂质通常使废气具有特定的颜色和聚集的粉尘颗粒，所以有时可以相距一定的距离用肉眼来监视烟囱和气道，以便确定废气流速的总估计。但这需要直接观望所涉及的设施。有时，有害气体和有毒气体，如一氧化碳是无色的。另外，用肉眼观望无法在夜间或气候恶劣的时候进行。不幸的是，被监视的工厂会只限制日间的废气排放量，而在当无法观察废气排放量的夜间却增加废气的排放量。
本发明采用了一种测量气流速度的全新的方法。本发明采用一种位于气流通道如烟囱或烟道相向侧的光发射器和光接收器。光束横向穿过气流通道。接收器包括多个平行于气流通过气道的预定方向而在纵向分开的光检测器。气流中的颗粒物质和漩涡在通道上发送的光束中产生闪烁。
这些闪烁由位于通道相对一侧上的所有光检测器检测，但每一光检测器中进行的检测不是同时发生的。然而，因为产生闪烁的颗粒或漩涡是沿气流的下游方向行进的，所以位于最远上游处的光检测器将比位于稍近下游处的光检测器在时间上较早检测到闪烁。这一物理现象与小鸟或风中的碎片所投射的移动阴影类似。
一方面，可以将本发明看作是一种测量预定方向的气流的速度的光学流量传感器。本发明的光学流量传感器由光发射器、光接收器、信号控制增益放大器电路、模一数转换器和数字信号处理器。光学发射器在预定的气流方向产生准直光束。光接收器包括多个接收透镜，所有的接收透镜都与光发射器进行光通信，且位于光束的路径上。接收透镜在平行于预定气流的方向上相互分开。分开的光检测器用于每一接收透镜。每一光检测器产生根据光束中出现的闪烁而变化的电输出。
分开的信号受控增益放大器电路与每一光检测器耦合。模数转换器与每一增益放大器电路耦合，用来单独地使每一来自增益放大器的输出数字化。
数字信号处理器的耦合用来从所有的增益放大器电路接收输入。数字信号处理器确定由所有光检测器独立检测的闪烁事件的数字化输出的时间互方差。数字信号处理器提供沿预定方向的路径积分流速。
光发射器最好包括一个激光二极管或LED(发光二极管)，并且在接收器中仅使用两个光检测器。同时，光发射器最好包括一个直径约为一英寸并且聚焦在激光二极管上的准直透镜，而且每一接收透镜的直径约为二英寸，并聚焦在其光检测器上。在本发明的一种设施例中，准直透镜产生准直光束。
另一方面，可以将本发明看作是一个测量预定气流方向的气流速度的光学流量传感器。光学流量传感器由发射器、接收器、信号受控增益放大器、模数转换器和数字信号处理器组成。发射器包括光源和在气流上产生准直束的光束形成光学装置。接收器位于光束的视线路径上。接收器包括多个聚焦接收透镜。接收透镜在平行于预定气流的方向上相互分开。每一接收透镜有一个独立的光检测器。每一光检测器产生随视线路径上出现的闪烁事件而变化的电输出。每一光检测器都具有独立的信号受控增益放大器。独立的模数转换器与每一光检测器耦合，用来将它们的输出从模拟信号转换成数字信号。数字信号处理器使作为闪烁事件方向之间的时延的函数而来自光检测器的数字信号交叉相关，以产生表示沿预定气流方向气流的速度的信号。
再一方面，本发明可以看作是测量沿预定线性方向气流的速度的方法。本方法的步骤包括：沿与气流的预定线性方向相交并与气流交叉的光学视线路径上，横穿气体体积发送一定量的准直光束；用多个接收闪烁检测器接收发射光束，而接收闪烁检测器在空间上沿平行于预定的线性方向是相互分开的；根据气流中出现的闪烁，从每一接收闪烁检测器产生独立的输出信号；独立地使每一输出信号放大和数字化；确定独立的输出信号的时间交叉相关；并根据相互分开的接收闪烁检测器的分开距离以及独立输出信号的时间交叉相关，提供表示沿预定的线性方向上气流速度的速度输出信号。
本发明的方法最好还包括计算来自光检测器的信号的时间平均的平均输出幅度，重复地将时间平均的平均输出幅度与来自光检测器的信号幅度比较，根据相对于时间平均的平均输出幅度的信号幅度对每一光检测器信号产生一系列的单个二进制码，并在确定独立的输出信号的时间交叉相关步骤中使用每一光检测器的单个二进制码系列的步骤。
最好分析来自每一光检测器的单个二进制码系列，以确定来自每一光检测器的输出信号的峰值。该信息由每一光检测器用来确定可识别闪烁事件的检测时间差。
在本发明的较佳设施例中，计算光检测器输出信号的信噪比，作为数据质量检验。最好还对光检测器的输出信号进行阈值筛选，以提高速度输出信号的可靠性。
本发明提供了一种改进的测量流动液体的实时流速的光学系统，而没有采用侵入流体介质的传感器。本发明还提供了一种价格相当低廉并且很可靠的不管是日间还是夜间都无人看管的流速测量系统。
本发明的工作原理包括采用引入光源光闪烁的干扰对管道平均流速进行测量。具有圆形孔径Dt的光源照射两个有限圆形孔径Dr的相邻光检测器接收器。在Kolmogorov干扰下，两个接收信号CX(r)=＜η(r1+r)η(r1)＞的对数幅度闪烁的协方差函数是： C x ( r ) = 0.132 π 2 k 2 ∫ 0 L dz C n 2 ( z ) ∫ 0 ∞ dK K - 8 / 3 sin 2 [ K 2 z ( L - z ) 2 kL ] × J 0 [ Kr z L ] { 2 J 1 ( KD r z 2 L ) KD r z 2 L } 2 { 2 J 1 ( KD 1 2 ( 1 - z L ) ) KD t 2 ( 1 - z L ) } 2 - - - - ( 1 )
这里，J0是零阶Bessel函数，而J1是一阶Bessel函数。在等式(1)中，当r=0时，路径平均扰动密度是通过大气传播的光波的幅度起伏而测量得到的。工作时，扰动漩涡通过光束并对其进行调制。该光扰动由接收器单元中的检测器接收。
传感器计算机计算沿路径积分的折射扰动系数Cn 2。对于发射孔径和接收孔径相等时的情况(Dt=Dr=D)，沿路径取平均的折射扰动系数是：
Cn 2=4.48CX(0)D7/3L-3                       (2)
对于不相等的发射和接收孔径，只需要改变比例系数4.48。在等式(2)中，D和L的单位是米，而Cn 2的单位是m-2/3。为了将风的影响也考虑在内，采用Taylor假设，并用|r-vt/z|来代替r。于是，等式(1)就变成为： C x ( r , t ) = 0.132 π 2 k 2 C n 2 ∫ 0 L dz ∫ 0 ∞ d KK - 8 / 3 sin 2 [ K 2 z ( L - z ) 2 kL ] × J 0 [ Kr z L - Kvt ] ( 2 J 1 ( KD r z 2 L ) KD r z 2 L ) 2 { 2 J 1 ( KD t 2 ( 1 - z L ) ) KD t 2 ( 1 - z L ) } 2 - - - - ( 3 )
这里，t是时延。在导出等式(3)时，假设了Cn 2沿光程是均匀的。对于流速测量的情况，等式(3)给出，沿路径平均的流速是通过光波在通过流体介质传播时光学的幅度起伏(scintillation)运动来测量的。
工作时，扰动漩涡通过光束，并对其进行调制。该光学起伏由接收器单元外壳中的一对相邻检测器接收。传感器计算机计算由该接收光学装置对接收的信号的时间交叉相关〔等式(3)〕。随后用等式(3)导出沿路径积分的流速。可以用数字信号处理器(DSP)来确定时间交叉相关。为了有效地在二进制域中使用DSP，最好采用一位相关技术来得到来自两个光检测器的检测信号的时延协方差函数。一位相关技术适合于进行数据处理，以检索来自两个检测的光学起伏信号的流速。对于DSP编程，一位操作要比多位操作快得多，并且所需的存储器较少。
取从两个检测器接收的起伏信号的协方差函数的正、负时延的差，即，Cd(r,t)=CX(r,t)-CX(r,-t)，可以去掉两个检测器所共同的噪声。协方差函数差的宽度(width)反比于沿路径取平均的流速。但是，如果按时延的对数来绘制Cd〔r,log(t)〕的图，那么协方差函数差Cd〔r,log(t)〕的宽度是与沿路径取平均的流速无关的。Cd〔r,log(t)〕的幅度将仅取决于信噪比，并不是流速的函数。所以，可以用曲线Cd〔r,log(t)〕的幅度或其下面的面积作为数据质量因素来表示S/N的水平。幅度或面积大，则表示S/N较好。可以用该S/N质量来进行数据质量的检验。
传感器可以在现场操作中提供流速的实时连续测量。仪器对环境声学和电磁噪声是不敏感的。与大多数传统的流量传感器不同，本技术的一个主要优点是，所测得流速与温度和压力是无关的。所以，无论流体介质处在什么样的环境压力和温度下，所测得的速度都是真实的测量值。
可以参照附图来更清晰地描述本发明的特点。
图1是本发明光学流体传感器较佳实施例主要元件的示意图。
图2是数字信号处理器所执行的步骤的流程图。
图3是图1中所示发射器的示意电路图。
图4是图1所示接收器和前置放大器的示意电路图。
图5A是图1中所示带通滤波器、解调器、低通滤波器和模数转换电路一部分的示意电路图。
图5B是图1中所示带通滤波器、解调器、低通滤波器和模数转换电路其余部分的示意电路图。
图6是图1中所示数字信号处理器的方框图。
图1示意描述的是一个光学流体传感器，该传感器用来测量垂直取向的长烟囱12中箭头10所表示的预定线性方向的气流速度，而烟囱12具有如约10英尺的直径，和30英尺或更多的长度。图1中仅画出了烟囱12的一个较短的部分。
光学流体传感器包括一个发射器13，发射器13有一个激光二极管或LED14，而激光二极管或LED14位于烟囱窗口11的前方，并由发射器驱动装置16驱动。发射器13包括一个透光的准直透镜15。接收器18位于烟囱12的壁上，径向面对发射器13，并且包括一对接收透镜20和22，透镜与发射器13所产生的光束24成视线。光束24径向跨越烟囱12的中心，与气流10的路径相交。光束24落到透镜20和22上。透镜20和22安装在烟囱窗口21的后面，对着透镜15，并沿平行于气流10的预定方向相互隔开。接收透镜20和22之间的间距最好大于透镜20和22中每一个的直径。
接收透镜20和22通常分别聚焦在光检测器D1和D2上。光检测器D1和D2中的每一个产生对信号受控增益放大器电路的电子输出。增益放大器电路29与光检测器D1耦合，而增益放大器电路31与光检测器D2耦合。
增益放大器电路29和31分别包括前置放大器30和32。前置放大器30和32分别与带通滤波器电路34和36耦合，而带通滤波器电路34和36接着分别与各自的解调电路38和40耦合。解调电路38和40分别与各自的低通滤波器42和44耦合，而低通滤波器42和44分别与模数转换器电路46和48耦合。模数转换器46和48分别使各增益放大器电路29和31的输出数字化，并将这些数字化的输出作为信号S1和S2输出到数字信号处理器50。
数字信号处理器50的耦合用来接收增益放大器电路29和31的输入，以确定光检测器D1和D2独立检测的起伏事件数字化输出的时间交叉相关性。数字化信号处理器50提供沿气流10的预定方向的流速的路径积分，作为风速输出信号52。
发射器13包括发射器驱动器16。发射器驱动器16向激光二极管或LED14提供经调制信号，从而产生沿直线路径10强度足以穿过烟囱12的气体的光束24。发射二极管14产生光束24，而此时接收器18位于光束24的另一端。流动气体中的扰动漩涡沿方向10穿过烟囱12，并穿过光束24。这些漩涡对光束24进行调制，使信号的光起伏能由光检测器D1和D2接收。调制光由光检测器D1和D2检测，两个光检测器D1和D2较好的是相同的PIN发光二极管。
发射器13、接收器18和增益放大器电路29和31与本人在美国专利4,760,272；4,754,149；5,796,105；和5,838,007中所描述的很相似，这些专利在此引述供参考。
图3是光发射器13的发射器电路16和指示驱动电路的示意图。图3中的元件的值见本说明书末尾处的表A。为了使环境光的影响为最小，在发射器驱动器16产生的频率下调制发射二极管14。调制频率应当高于起伏信号的调制频率。在通常处于工业烟道和烟囱的情况下，起伏频率低于几百个赫兹。因此，调制频率约为10kHz较合适。
如图3所示，发射器驱动器16中的波形整形电路U1-3驱动晶体管Q1，而晶体管Q1接着向激光二极管或LED14提供驱动信号。可变电阻VR1调整晶体管Q1的直流偏压。晶体管Q1是一个电流驱动器，而不是一个电压驱动晶体管。晶体管Q1导通时，运算放大器U3-3动作，向与连接插座(junction plug)J2连接的发射激光二极管或LED14以及指示LED发送信号。
光检测器D1和D2分别位于接收透镜20和22的焦点处。来自接收透镜20和22的两个光信号分别由两个光检测器D1和D2检测，并转换成电信号。如图4中示意描述的那样，所接收的光检测器信号在前置放大器30和32中放大。图4中的电路元件见本说明书末尾处的表B中。运算放大器Us-4对来自光检测器D1的信号进行放大。与此类似，运算放大器U2-4对来自光检测器D2的信号进行放大。经放大的光检测器输出信号随后分别由带通滤波器U3-4和U4-4滤波。在光检测器D1和D2的输出经前置放大和滤波以后，分别输出作为CHANNEL(信道)A和CHANNELB。
如图5示意示出的那样，输出CHANNELA和CHANNELB被馈送到独立的解调电路38和40，独立地由芯片U1-8和U2-5解调，并且分别由运算放大器U3-5和U4-5放大。经解调和放大的信号接着分别输入到运算放大器U7-5和U8-5，而这两个运算放大器形成低通滤波器电路的元件。在图5中，经滤波的输出是信号BP1_OUT和BP2_OUT。图5中的电路元件见本说明书末尾处的表C中。
增益放大电路29和31还在光检测器输出的解调和低通滤波的同时进行信号强度测量。放大器U5-5和U6-5所提供的输出正比于来自光检测器D1和D2的信号强度。输出LN1_OUT和LN2_OUT分别表示来自光检测器D1和D2的信号强度。在出现不正常的情况的时候，例如，光受到阻断，那么阈值信号LN1_OUT或LN2_OUT中的一个或两个的幅度将落到某些预先建立的阈值以下。这种情况随后在数字信号处理器50中检测。当光检测器输出BP1_OUT和PB2_OUT的信号强度落在数字信号处理器50设置的阈值以下的时候，数据信号BP1_OUT和BP2_OUT将被废弃。
如图1所示，来自光检测器D1和D2的经解调和滤波的信号BP1_OUT和BP2_OUT将从增益放大器电路29和31发送到模数转换器46和48。数字化形式的数据信号BP1_OUT和BP2_OUT与数字化形式的信号强度输出LN1_OUT和LN2_OUT一起统一标记为图1中的S1和S2。
数字信号处理器50的结构如图6中的方框图所示。图2中是以流程图的形式描述的数字信号处理器50所执行的处理步骤。图6是以方框图的形式描述的执行图2中的流程图中的步骤的数字信号处理器50的元件。数字信号处理器50的心脏是处理单元C32。图2中的算法是在处理器芯片中执行的，而处理器芯片是处理器C32。图6中的其他芯片支持处理器芯片C32的运行。处理器芯片C32可以是Texas Instruments Inc(德州仪器有限公司)所制造的芯片，其型号是TMS320C32。芯片FPGA是一个字段可编程门阵列，它执行处理器C32的支持功能，使之能够进行必要的数字计算。
图6方框图中的所有的元件可以从各个集成电路制造商处得到。这些元件见本说明书末尾处的表D中。其他的模拟端口70和72给出速度信号V以及信噪比信号S/N输出，由模拟装置如笔记录仪和其他的模拟记录仪使用。
参见图2，针对两个数字化输入信号S1和S2，执行用60和61处标示的第一步骤。在处理器芯片C32中计算来自每一光检测器D1和D2的数字化数据信号BP1_OUT和BP2_OUT的对时间取平均的平均输出幅度。这些平均信号用M1和M2表示。以某种离散的时间间隔，如7-10ksps对信号S1和S2中的每一个取样，并以某一长得多的时间间隔如1秒取平均。用来确定平均信号M1和M2的信号取样中的每一个可以代表约10,000个取样。
接着，在步骤62和63处将每一新信号S1和S2的数据部分与中间信号M1和M2比较。随后，如果信号S1和S2的数据部分大于各中间平均值，那么就对它们赋予一位+1值。如果它们不大于各中间平均值，那么就赋予它们一位0值。所以，每一信号S1和S2被转换成一位数据流，即+1或0。所以，这一步骤是一个数据位转换的步骤。
信号S1和S2的连续信号流代表二进制信号的运行流，它们每一个可以是+1或0。图2中的步骤64代表时间交叉相关的步骤，其中，将数据位流S1(1,0)和S2(1,0)相互比较，用以找到在不同的时刻，在哪里可以检测到匹配的起伏事件。由步骤64产生的时间差输出在图2中的C(t)处表示。按照前面给出的等式(3)来计算图2中C(t)的值。
下一个执行的步骤是峰值定位，在图2中的步骤66处示出。峰值定位步骤66包含对信号位码S1(1,0)和S2(1,0)的交叉相关性C(t)进行分析，以确定光检测器D1和D2的输出信号C(t)，从而由光检测器D1和D2中的每一个确定可识别的起伏事件的检测时间。信号C(t)的成形或多或少像是一个钟(bell)形曲线。信号tp是在C(t)峰值处的时延。所以，信号tp是光检测器D1检测到的起伏和光检测器D2检测到的同一起伏之间的时延。
步骤68代表是进行的算术计算，用以确定风速，即，烟囱12中沿方向10的气流速度。由于两个光检测器D1和D2之间的间距是已知的，所以，计算风速V就简单地变成了将r除以tp。
本发明系统的应用并非仅限于通过相对较窄的信道来测量气流的速度。实际上，可以采用这些技术来测量通过很宽区域的气流。例如，通过修改光检测器的大小，可以用附图中是描绘和描述的同一系统来测量飞机场跑道处的横向风。也可以用同一技术来测量化学或药品处理控制通过透明管的液体流。还可以有许许多多种其他的应用。
不容置疑，对于熟悉光学传感系统的本领域技术人员来说，还可以对本发明的电路和光学元件作各种变异和修改。有几种不同的处理器芯片可以用来代替德州仪器的芯片TMS320C32，这是因为有几种不同的芯片可以用作FPGA芯片，以替换所描述的Altera 8282A芯片。因此，本发明的范围并非仅限于是描绘和描述的方法特点设施例，本发明的范围由权利要求书所限定。
                               表A
                     名    称            附图中标号
电容器，单片陶瓷，径向，50V,680pF,5％齿，0.2LS C1
电容器，电解式，径向，25V,470UF,0.2LS C2,C3,C4
熔断丝，3AG,SLO-BLO,1.00A/250V F1
硬件，熔断丝，卡箍式w、端止式，印刷电路板MT,f/3AG F1
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，2×36，金 J1,J2
模块，电源，密封式印刷电路板MT，通用式输入，+/-12V/10W输出 PS1
半导体，晶体管，双极，NPN,TO-92 Q1
电阻，金属膜，RN55,1/4W,1.54K,1％ R1
电阻，金属膜，RL32,2W,10欧姆，5％ R2,R3
电阻，金属膜，RN55,1/4W,4.99K,1％ R4
电阻，金属膜，RN55,1/4W,51.1欧姆，1％ R5
电阻，金属膜，RN55,1/4W,150欧姆，1％ R6,R7
连线，端子块，印刷电路板MT，模块式，3位置，0.2英寸/5mmLS TB1
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，1×36金 TP1,TP2,TP3,TP4,TP5,TP6
集成电路，CMOS单稳态多谐振荡器，14DIP U1-3
集成电路，稳压器，-12V输入，-5Vo,TO-220 U2
集成电路，比较器线性LT1011CN8 U3-3
半导体，晶体管TRANZORB V1,V2,V3
电阻，TRIMPOT,3/8SQ,11/2W,1K,10％,top ADJ19圈 VR1
MISC，印刷电路板，OFS发射器 PCB
                             表B
                     名    称          附图中标号
电容器，单片陶瓷，径向，50V,5PF,5％齿，0.1LS C3,C4
电容器，单片陶瓷，径向，50V,15PF,5％齿，0.1LS C6,C9,C16,C19
电容器，单片陶瓷，径向，50V,150PF,5％齿，0.1LS C11,C12,C13,C14
电容器，多膜，径向，50V,0.1UF,5％,0.2LS层叠 C5,C7,C8,C10,C15,C17,C18,C20,C21,C22
电容器，单片陶瓷，径向，50V,-5％齿，0.1LS(值T.B.D.) C1,C2
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，1×36金 TP1
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，2×36金 J1
集成电路，运算放大器，高速，DIP8国家LM318 U1-4,U2-4,U3-4,U4-4
电阻，金属膜，RN55,1/4W,100K,1％ R11,R12
电阻，金属膜，RN55,1/4W,1.21K,1％ R9,R10
电阻，金属膜，RN55,1/4W,4.99K,1％ R7,R8
电阻，金属膜，RN55,1/4W,221K,1％ R1,R2,R5,R6
电阻，其他，RL07,1/4W,0.0,1％,0欧姆 R3,R4
半导体，发光二极管，PIN硅，10度可接受的角度，凸透镜 D1,D2
硬件，其他，安装垫片，T05/.2间距，尼龙 D1,D2
 MISC，印刷电路板，OFS接收前置放大器 PCB
                            表C
                      名    称             附图中标号
电容器，电解式，径向，25V,47OUF,0.2LS C1,C2,C3,C4
电容器，多膜，50V,0.1UF,5％,0.2LS，层叠 C5,C6,C7,C8,C13,C14,C17,C19,C20,C22,C28,C30,C35,C37,C38,C40,C45,C46
电容器，单片陶瓷，径向，50V,330PF,5％齿，0.1LS C9,C10,C15,C16,C33,C34
电容器，单片陶瓷，径向，50V,1.0UF,10％ C11,C12,C23,C24
电容器，单片陶瓷，径向，220V,47PF,5％,0.1LS C18,C21,C26,C29,C36,C39
电容器，多膜，径向，50V,0.022UF,5％,0.2LS，层叠 C31,C32
电容器，单片陶瓷，径向，50V,1.0UF,10％ C41,C42,C43,C44
半导体，二极管，高速整流器，100PIV,DO-35 CR1,CR2,CR3,CR4
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，2×36金 J1
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，2×36金 J2,J3
电阻，电源，金属氧化物，1欧姆，1W,1％ R1,R2
电阻，金属膜，RN55,1/4W,1M,1％ R3,R4
电阻，金属膜，RN55,1/4W,1.5K,1％ R5,R6,R18,R20
电阻，其他，RL07,1/4W,0.0,1％,0欧姆 R7,R8
电阻，金属膜，RN55,1/4W,100K,1％ R9,R10
电阻，金属膜，RN55,1/4W,10.0K,1％ R11,R12,R13,R14
电阻，金属膜，RN55,1/4W,1.54K,1％ R15,R16
电阻，金属膜，RN55,1/4W,51.1K,1％ R17,R19
电阻，金属膜，RN55,1/4W,511欧姆，1％ R21,R22
电阻，金属膜，RN55,1/4W,4.99K,1％ R23
电阻，金属膜，RN55,1/4W,51.1欧姆，1％ R30
连线，吸持式头，.025SQ/.230L接线柱，1×36金 TP1,TP2,TP3,TP4,TP5,TP6,TP7,TP8,TP9,TP10,TP11,
IR，真实RMS直流变换器，DIP14 U2-5,U1-5
集成电路，运算放大器，高速，DIP8 U3-5,U4-5,U5-5,U6-5,U7-5,U8-5
MISC，印刷电路板，OFS接收放大器 PCB

Claims (22)

1．一种测量沿预定的气流方向的气流速度的光学流量传感器，其特征在于，它包含：
产生与所述气流横切的准直光束的光学发射器；
光学接收器，它包括位于与所述光学发射器进行光通信并位于所述光束路径中而且在沿所述预定的气流方向并行的方向上相互分开的多个接收透镜，用于每一所述接收透镜而根据所述光束中出现的起伏而变化的电输出的独立的光学检测器，
与每一所述光学检测器耦合的独立的信号受控增益放大器电路；
与每一所述增益放大器耦合用来独立地使每一所述增益放大器电路的输出数字化的独立的模数转换器；以及
数字信号处理器，其耦合用来接收所有所述增益放大器电路的输入，以确定所有所述光检测器独立检测的起伏事件的所述数字化输出的时间交叉相关性，并沿所述气流的预定方向提供路径积分的流速。
2．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，所述数字信号处理器还包括用来分开确定来自每一所述增益放大器电路的所述数字化输出的平均值从而提供独立的对时间取平均的平均值的平均值计算装置，和耦合用于接收每一增益放大器电路和中间平均计算装置的所述数字化输出以提供表示所述增益放大器的所述数字化输出与所述平均值的比较的一位数字输出的比较器装置。
3．如权利要求2所述的光学流量传感器，其特征在于，所述中间平均值计算装置包括取样装置，用来在约为1秒的平均时间里，在约7千赫兹和约20千赫兹之间的速率下，对来自所述增益放大器电路的数字化输出进行取样。
4．如权利要求2所述的光学流量传感器，其特征在于，所述数字处理器还包括一个峰值确定装置，用来确定所述增益放大器电路的所述数字化输出中时间交叉相关性中的峰值，以及用来确定所有所述光检测器的所述峰值之间的时间差。
5．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，所述发射器还包含波形整形调整器，并且每一所述增益放大器电路包括耦合用来接收一个所述光检测器的电子输出的前置放大器，耦合用来接收一个所述前置放大器的输出的解调电路，耦合用来接收一个所述解调电路的输出并连接用来向一个所述模数转换器提供输入的低通滤波器。
6．如权利要求5所述的光学流量传感器，其特征在于，所述光学接收器由唯一的一对所述接收透镜和光检测器组成。
7．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，它还包含在所述数字信号处理器中用来建立接受每一所述光检测器的信号的最小阈值的阈值检测装置。
8．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，所述发射器包括一个激光二极管。
9．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，所述发射器包括一个发光二极管。
10．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，所述光学发射器包括一个具有直径约为1英寸且聚焦在所述激光二极管上的准直透镜，并且每一所述接收透镜的直径约为2英寸，并聚焦在所述光检测器上。
11．如权利要求9所述的光学流量传感器，其特征在于，所述准直透镜在一椭圆截面内产生所述准直光束，其主轴沿平行于所述预定气流方向而取向。
12．如权利要求1所述的光学流量传感器，其特征在于，所述数字信号处理器包括一个信噪比计算装置，所述计算装置提供所述光检测器的所述电子输出中的信噪比指示。
13．一种测量沿预定的气流方向的气流速度的光学流量传感器，其特征在于，它包含：
发射器，它包括一个光源和产生横切所述气流的准直光束的光束形成光学装置，
位于带有所述光束的视线路径内的接收器，并且包括沿平行于所述预定气流方向而相互分开的多个聚焦接收透镜，以及用于每一所述接收透镜的独立的光检测器，所述光检测器产生电输出，并且所述电输出随所述视线路径中出现的起伏事件而变化，
用于每一所述光检测器的独立的信号受控增益放大器，
与每一所述增益放大器耦合并用来将所述输出从模拟信号转换成数字信号的独立的模数转换器，以及
数字信号处理器，用来使来自所述光检测器的所述数字化信号交叉相关，作为起伏事件检测之间时延的函数，以产生表示沿预定气流方向的气流速度的信号。
14．如权利要求13所述的光学流量传感器，其特征在于，所述数字信号处理器包括阈值检测装置，用以确保来自每一所述信号受控增益放大器的信号具有至少最小强度。
15．如权利要求13所述的光学流量传感器，其特征在于，所述光束形成光学装置包括发射一准直光束的发射透镜，并且所述光束垂直于所述预定气流方向而对准的。
16．如权利要求13所述的光学流量传感器，其特征在于，所述发射器包括一个激光二极管，二所述光束形成光学装置包括一个聚焦在所述激光二极管上的发射透镜，并且所述接收器包括唯一的两个所述光检测器和唯一的两个所述接收透镜，它们中的每一个都聚焦在所述唯一的两个所述光检测器中的每一个上。
17．如权利要求13所述的光学流量传感器，其特征在于，所述发射器包括一个发光二极管，而所述光束形成光学装置包括一个聚焦在所述发光二极管上的发射透镜，并且所述接收器包括唯一的两个所述光检测器和唯一的两个所述接收透镜，它们中的每一个都聚焦在所述唯一的两个所述光检测器中的独立的一个上。
18．一种测量沿预定线性方向的气流速度的方法，其特征在于，它包含：
发送一准直光束，所述准直光束沿与所述预定的气流线性方向相交的光学视线路径横切一定量的气体，并穿过所述气流，
用多个接收起伏检测器来接收所述发射的光束，所述接收起伏检测器在空间上沿平行于所述预定线性方向相互分开，
根据所述气流中出现的起伏，从每一所述接收起伏检测器，产生独立的输出信号，
独立地放大每一所述输出信号，并使之数字化，
确定所述独立的输出信号的时间交叉相关性，以及
根据所述接收起伏检测器相互间的间距以及根据所述独立的输出信号的所述时间交叉相关性，提供表示沿所述预定的线性方向的气流速度的速度输出信号。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于，它还包含：计算来自每一所述光检测器的信号的时间平均的平均输出幅度，重复地将所述时间平均的平均输出幅度与来自每一所述光检测器的信号幅度比较，并根据相对于所述时间平均的平均输出幅度的信号幅度，产生用于每一光检测器的信号的一系列单个位的码，并在确定所述独立的输出信号的时间交叉相关性的所述步骤中，采用用于每一所述光检测器的所述一系列单个位的码。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，它还包含，分析来自每一所述光检测器的所述一系列的单个位的码，以确定来自每一所述光检测器的所述输出信号中的峰值，从而由每一所述光检测器确定可识别起伏事件的检测时间。
21．如权利要求18所述的方法，其特征在于，它还包含，计算所述光检测器的所述输出信号的信噪比，作为数据质量检验。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，它还包含，对所述光检测器的所述输出信号进行阈值筛选，以提高所述速度输出信号的可靠性。
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