[发明专利]一种光电接触式流速测量方法及其传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种开放流场流速测量技术，尤其涉及一种光电接触式流速测量方法及其传感器。

背景技术

流速是开放式流场最基本的物理量之一，对流体速度场的获取是认识流体流动特性的关键，如何准确快速的获取流体流速一直是现代水工量测技术领域研究的热点。

对于开放式流场，现普遍采用的流速测量方法主要有机械式旋浆、毕托管、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪等。基于机械旋桨、毕托管技术的流速测量装置价格较为低廉，适合于一般工程应用，但存在对原有流场有破坏、对小流速不敏感、测量误差较大等缺点。激光多普勒测速仪与粒子图像测速仪又因为价格过于昂贵，不适于大范围推广应用，且两种测速装置都只能测量流体中颗粒的速度，而迄今为止流体中颗粒的“跟随”问题仍然是一个令业界较为头痛的难题。

迄今为止，互相关方法仅被用于封闭流场(如管道等)两相流流速的非接触式测量，且其一般基于超声波调制机理，而从未发现有基于光学互相关方法的开放流场流速测量的相关文献。

发明内容

本发明提出了一种光电接触式流速测量方法，该方法包括：测定相同时刻、相同强度的光信号在水流上、下游的透射光强度，利用互相关算法计算两个接收到的光信号间的时延Δτ，根据Δτ计算水流流速。

其中，上述的测定相同时刻、相同强度的光信号在水流上、下游的透射光强度，包括：1)设置两对光传感器：光发射器1#和光接收器1@，光发射器2#和光接收器2@；2)获取经水流流动噪声信号调制后的两个光信号。

其中，光发射、接收器件为非一般可见光光电传感器，选用光电传感器件的标准在于其能避免可见光对实验结果的影响；一般可选用红外光电器件。

步骤1)设置两对光传感器，包括：沿水流流动方向，分别设置两个光发射器1#、2#；沿水流流动方向，在两个光发射器的同侧对立位置，分别设置两个光接收器1@、2@，两光发射器间距和两光接收器间距均为l且光发射器1#、2#和光接收器1@、2@在同一水平面内；2个光发射器和2个光接收器的4个位置，沿流体流动方向成矩形对称，其中，l长度范围应根据光电器件大小，尽可能设置小。

步骤2)包括：光发射器1#、2#分别向光接收器1@、2@发射光强相同的光信号，实时 记录同一时刻光接收器1@、2@接收到的透射光强度。

利用互相关算法计算两个接收到的光信号间的时延Δτ，并根据Δτ计算水流流速，包括：根据下式计算流体流速v₀

v₀＝l/Δτ

式中：l为两光发射/接收器间距，为了符合流动噪声统计继承性条件，间距应尽可能小，根据光发射/接收器大小，其间距可控制在10cm之内；

Δτ为两光接收器在同一时刻收到的两个光信号间的时延；

本发明还提出了一种基于光电接触式流速测量方法的传感器，它包括：两个光发射器、两个光接收器、支撑架；两个光发射器安装在支撑架内的同侧，两个光接收器安装在支撑架内与两个光发射器相对的另一侧，两个光发射器和两个光接收器的四个固定位置成矩形对称；光发射器和光接收器一一对应。

本发明采用的支撑架结构如下：支撑架上部成弧型，下部为两个平行的竖直壁；整个支撑架的迎水面6全都设置成弧形，以减小对水流的阻力，支撑架横截面成“∩”型；其中竖直壁为双层结构，竖直壁的内层上有与光发射器/光接收器固定位置及大小相匹配的通孔，竖直壁的外层的内表面上有与光发射器/光接收器固定位置及大小相匹配的凹槽，光发射器/光接收器穿过内层的通孔嵌在外层的凹槽内，光发射器/光接收器的供电线、光接收器与数据处理器间的数据输出线布置于竖直壁的内、外层间的缝隙中；竖直壁的内、外层、光发射器/光接收器之间的缝隙用密封胶密封固定。

为了符合统计继承性的条件，两个光发射器/光接收器间距离应尽可能小，根据光发射/接收器大小，其间距可控制在10cm之内；为了减小传感头本身结构对水流特性的影响，传感器厚度应尽可能小，根据光发射/接收器大小，支撑架的厚度可控制在4～6mm之内，支撑架纵向长度大于光发射器间间距，支撑架上部的弧型部分竖直高度范围1～3cm，支撑架下部的竖直壁高度范围2～4cm。

本发明的有益技术效果是：对小流速敏感、结构简单、成本低廉、测量精度高。

附图说明

图1、本发明的传感头装置结构示意图；

图2、本发明的系统组成示意图；

图3、光发射器/光接收器固定位置处竖直壁截面示意图；

图4、基于统计继承原理的流体流动物理模型示意图；