一种重力杆式光纤流量传感器及其流量检测方法与流程

本发明涉及一种重力杆式光纤流量传感器及其检测方法，属于流量检测领域。

背景技术：

现代工业生产尤其是自动化生产过程中，常常要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器也早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。本发明是众多类别的传感器之一——流量传感器。随着传感器技术的发展，目前已经出现多种多样的流量传感器，最常用的有叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等。但是，诸如叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等传感器，原理多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任。

技术实现要素：

本发明提供一种重力杆式光纤流量传感器，以解决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任的问题。

为解决上述问题，拟采用这样一种重力杆式光纤流量传感器，包括传感器探头、光电转换器和信号处理器，传感器探头包括壳体和重力杆，壳体内开设有下端开口的摆动槽，所述重力杆包括沿竖向设置的杆部和重力板，杆部位于摆动槽内，杆部的上端与壳体相铰接，且杆部的下端由摆动槽的下端开口处伸出至外部，重力板固定于杆部的下端，杆部与摆动槽的下端开口处之间通过波纹式防水布密封连接，如波纹式的橡胶布，从而实现摆动槽下端开口处的密封，且采用可以展开的波纹式结构，不影响杆部的摆动，对杆部的阻力可忽略不计，杆部的中段为遮光板，遮光板的中部开设有透光孔，摆动槽内位于遮光板的相对两侧分别设置有相互指向的入射光纤和接收光纤，入射光纤的另一端设置有光源用以耦合入射光，接收光纤的另一端与光电转换器相连，光电转换器与信号处理器相连。

前述传感器中，所述杆部在绕上端摆动的过程中，透光孔均全部落入入射光纤和接收光纤之间的光纤路径上。

前述传感器中，所述杆部的上端垂直固定有铰接杆，铰接杆沿横向设置，且铰接杆的两端通过轴承转动固定于摆动槽内。

前述传感器中，所述杆部上位于遮光板的下侧沿横向固定有滚动轴，滚动轴随杆部摆动，摆动槽内沿滚动轴的摆动路径开设有滚轮槽，所述滚动轴的两端均转动设置有滚轮，且滚轮滑动设置于滚轮槽内。

本发明还提供了一种重力杆式光纤流量检测方法，该方法是在壳体内开设下端开口的摆动槽，沿竖向设置的杆部设置摆动槽内，杆部的上端与壳体相铰接，杆部的下端由摆动槽的下端开口处伸出至外部，杆部的下端固定有重力板，杆部的中段为遮光板，遮光板的中部开设有透光孔，摆动槽内位于遮光板的相对两侧分别设置有相互指向的入射光纤和接收光纤，检测流体流量时，将该装置置于流体中，并使初始状态下沿竖向设置的重力板与流体流向相垂直，通过流体冲击重力板使其摆动，从而带动遮光板和透光孔摆动，使经透光孔的输出光强度发生变化，通过检测出光强的变化量，推算出杆部的摆动角度，进而计算出重力板上作用的流体压力的大小，从而由流体力学公式即可推算出流速的值，进而推算出流量值。

与现有技术相比，本发明经过结构设计、理论研究与实验分析可知，该传感器具有较小的结构、较高的精确度与可靠性、较好的适应性与互换性，该传感器能适用于众多流体流量检测场合，将摆杆结构与光电传感原理相结合地应用于流量检测领域，输出信号经光电转换及信号处理计算后输出值将成倍变化，现对于传统的动力测量方式，能够十分明显的提高检测灵敏度，具有十分重要的实际应用价值，对新型流量传感器的设计与推广起到了极大的推动作用。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是图1中a-a向的剖视图；

图3是图2中重力杆的结构示意图；

图4是本发明接收光纤强度变化原理图；

图5是重力板的受力分析图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明，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。

实施例

参照图1至图5，本实施例提供一种重力杆式光纤流量传感器，包括传感器探头1、光电转换器2和信号处理器3，传感器探头1包括壳体11和重力杆12，壳体11内开设有下端开口的摆动槽13，所述重力杆12包括沿竖向设置的杆部121和重力板122，杆部121位于摆动槽13内，杆部121的上端与壳体11相铰接，杆部121的上端垂直固定有铰接杆123，铰接杆123沿横向设置，且铰接杆123的两端通过轴承124转动固定于摆动槽13内，杆部121的下端由摆动槽13的下端开口处伸出至外部，重力板122固定于杆部121的下端，杆部121与摆动槽13的下端开口处之间通过波纹式防水布14密封连接，如波纹式的橡胶布，从而实现摆动槽13下端开口处的密封，且采用可以展开的波纹式结构，不影响杆部121的摆动(阻力和牵拉力忽略不计)，对杆部121的阻力可忽略不计，杆部121的中段为遮光板1211，遮光板1211的中部开设有透光孔1212，摆动槽13内位于遮光板1211的相对两侧分别设置有相互指向的入射光纤15和接收光纤16，杆部121在绕上端摆动的过程中，透光孔1212均全部落入入射光纤15和接收光纤16之间的光纤路径上，入射光纤15的另一端设置于光源4处用以耦合入射光，接收光纤16的另一端与光电转换器2相连，光电转换器2与信号处理器3相连。

杆部121上位于遮光板1211的下侧沿横向固定有滚动轴125，滚动轴125随杆部121摆动，摆动槽13内沿滚动轴125的摆动路径开设有滚轮槽131，所述滚动轴125的两端均转动设置有滚轮126，且滚轮126滑动设置于滚轮槽131内。

其使用方法如下：检测流体流量时，将该装置置于流体中，并使初始状态下沿竖向设置的重力板122与流体流向相垂直，通过流体冲击重力板122使其摆动，从而带动遮光板1211和透光孔1212摆动，如图4所示，其中m为遮光板1211转动角度θ之后，透过透光孔1212的光纤，使透光孔1212在光纤路径方向的高度降低(宽度不变)，从而使经透光孔1212的输出光强度发生变化(降低)，将透光孔1212设计为方形孔，则通过检测出光强的变化量，即可推算出杆部121的摆动角度，进而计算出重力板122上作用的流体压力的大小，从而推算出流速的值，进而推算出流量值。

假设重力杆受力板上受到流体的压力为p，流体流速为v，流体的密度为ρ，受力板的受力面积为sb，受力板的半径为r，根据流体力学有：

式中：k为比例系数，sb＝πr²。

又因为流体流量为：

q＝av(2)

式中a为流体流经的通流管道与重力杆受力板之间形成的环隙通道面积，假设通流管道半径为r，则a＝π(r²-r²)，再把(1)式与(2)式合并，可整理为：

又设重力摆杆的质量为m，在流体压力f作用下旋转了θ角度，如图5所示，其重力在法向的分量为：

f1＝mgsinθ(4)

此时因为受力达到平衡，所以有：

f＝f1(5)

即：p.πr²＝mgsinθ

所以旋转角度为：

接收光纤束接收端面的有效接收面积为：

sj1＝a(b-m)(7)

式中sj1为接收光纤束接收端面的有效接收面积，m为接收光纤束接收端面被遮挡的高度，b为接收光纤束接收端面的高，a为接收光纤束接收端面的宽。

又

所以传感器的光纤强度调制模型可表示为：

又由(3)式可得：

把(10)式代入(9)式有：

从上述(11)传感器的传感模型不难看出，当传感器的封装结构与几何尺寸确定之后，输出值m仅与被测流体的流量q相关，即传感器的输出值能较好的反映出被测流体流量的变化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。