一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201410431303.9	申请日：	2014.08.28
公开号：	CN104198756A	公开日：	2014.12.10
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01P 5/08申请日:20140828\|\|\|公开
IPC分类号：	G01P5/08; G01P13/02	主分类号：	G01P5/08
申请人：	华中科技大学
发明人：	陈学东; 朱连利
地址：	430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
优先权：
专利代理机构：	华中科技大学专利中心 42201	代理人：	曹葆青
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内容摘要

本发明公开了一种压电与光电复合的液体流速流向测量装置及其方法，装置包括圆柱体，压电纤维束，激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，PSD承载及信号放大电路板，以及测量数据处理模块；本发明利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。本发明结构简单，体型小巧，可以减少对流体的扰动，特别适合低速流场信息的精确测量。该装置可以安装在大型水下运载设备或平台的外围，提供其外围流场信息的监测。

权利要求书

1.  一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置包括利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压电电荷，其两端产生电压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束电压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。

2.  根据权利要求1所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置还包括激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，PSD承载及信号放大电路板，测量数据处理模块；
所述弹性阻尼体安装在底座上，圆柱体安装在弹性阻尼体上，圆柱体与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于圆柱体的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差；
所述激光发射准直模块安装在圆柱体的下部，激光发射准直模块下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直模块用于发射准直的激光光线；
所述底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器、PSD承载及信号放大电路板和测量数据处理模块；
所述底座的底面中心安装有防水信号线转接口；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为测量数据处理模块、激光发射准直模块、PSD承载及信号放大电路板提供电源；
所述测量数据处理模块与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速；
所述二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直模块出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号输入到PSD承载及信号放大电路板，PSD承载及信号放大电路板将放大后的电信号提供给测量数据处理模块；测量数据处理模块获得PSD承载及信号放大电路板放大后的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。

3.  根据权利要求1所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述圆柱体与所述弹性阻尼体的弹性模量在2.5MPa以上，硬度在邵氏A40-60之间。

4.  根据权利要求1、2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述压电纤维束的长度为所述圆柱体总长的3/4。

5.  根据权利要求1、2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述底座内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间，以配合激光的发射状态。

6.  根据权利要求1、2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述激光发射准直模块主要由壳体、激光驱动模块、激光二极管和准直透镜构成，壳体为中空圆柱状，激光驱动模块位于壳体顶部，激光二极管位于壳体的上部，准直透镜位于壳体的下部；激光二极管发射激光，到达准直透镜，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束；壳体底部设有微小透光孔，以保证经准直后的出射激光束到达二维PSD位移传感器产生的光斑直径足够小。

7.  一种利用权利要求2所述的装置进行流体流速流向测量的方法，其特征在于，所述测量数据处理模块获得压电纤维束的表面电压V_p，利用式I计算流体速度v：
v=VpCs(EpIp+EsmIsm)2dpEpρACdl2rp2]]>       式I
式中，V_p为压电纤维束的表面电压，C_s为压电纤维束本身静电容量，E_p、I_p分别为压电纤维束的弹性模量、惯矩，E_sm、I_sm分别为圆柱体的弹性模量、惯矩，d_p为压电纤维束的压电常数，ρ为流体密度，A为流体在圆柱体上的作用面积，C_d为作为圆柱体的拖拽力系数，l为圆柱体的长度，r_p为压电纤维束截面半径；
所述测量数据处理模块利用二维PSD位移传感器获得的激光光斑的坐标值(x_t,y_t)，利用式II计算流体流动方向角度θ：
θ=π+arctanytxt,(xt>0)2π+arctanytx,(xt<0,yt>0oryt=0)arctanytxt,(xt<0,yt<0oryt=0)3π4,(xt=0,yt>0)π4,(xt=0,yt<0)]]>      式II
。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，流体速度v的计算公式为式III：
v=aVp+bVp12]]>      式III
其中，a，b为利用式I，通过标定方法所获得的权值系数。

说明书

一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法
技术领域
本发明属于流体测量技术，涉及了一种测量流体流速流向的装置及其方法，具体地说，提出了一种采用压电技术和光电技术相结合的流速流向测量装置与方法。
背景技术
目前的流速测量领域，一般采用螺旋桨等旋转机构，流体流过时，推动螺旋桨等旋转机构转动，把旋转机构转动的速度换算后得到流体流速。这种测量方式，对于流体速度较高、不需要实时精确测量的环境是可行的，但对于需要精确实时测量的环境以及流速微小流体的测量，因其旋转机构机械传动的滞后原因造成的误差较大，往往测量效果不佳，同时，旋转机械结构导致了这种设备的可靠性及寿命受到影响，长期使用会造成累积误差，另外，目前的流速仪往往构型较大，造成对流体流动过程的扰动，不利于需要精确保持流体性状的测量。对于可同时测得流速和流向的设备，目前主要采用超声波多普勒技术、激光技术等，虽然可以精确测量流体环境数据，但成本较高、造价昂贵，且结构复杂、本体及附属设备体型较大、不易操作，作为测量平台在水下运载设备上不易安装使用，且激光测量技术在浑浊水体不宜使用。
发明内容
本发明提供一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法，目的在于为流体监测提供一种方便、有效、简单和快捷的测量方式。
本发明提供的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置包括利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压电电荷，其两端产生电压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束电压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。
作为上述技术方案的优选，本发明装置的具体实现结构为：该装置还包括激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维PSD位移传感器，PSD承载及信号放大电路板，测量数据处理模块；
弹性阻尼体安装在底座上，圆柱体安装在弹性阻尼体上，圆柱体与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于圆柱体的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差；
激光发射准直模块安装在圆柱体的下部，激光发射准直模块下端穿过弹性阻尼体进入到底座内部，激光发射准直模块用于发射准直的激光光线；
底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维PSD位移传感器、PSD承载及信号放大电路板和测量数据处理模块；
底座的底面中心安装有防水信号线转接口；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为测量数据处理模块、激光发射准直模块、PSD承载及信号放大电路板提供电源；
测量数据处理模块与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速；
二维PSD位移传感器用于接收激光发射准直模块出射的激光束，二维PSD位移传感器将发生光电反应产生的电信号输入到PSD承载及信号放大电路板，PSD承载及信号放大电路板将放大后的电信号提供给测量数据处理模块；测量数据处理模块获得PSD承载及信号放大电路板放大后的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。
本发明提供的上述流速流向测量装置的测量方法，所述测量数据处理模块获得压电纤维束的表面电压V_p，利用式I计算流体速度v：
v=VpCs(EpIp+EsmIsm)2dpEpρACdl2rp2]]> 式I
式中，V_p为压电纤维束的表面电压，C_s为压电纤维束本身静电容量，E_p、I_p分别为压电纤维束的弹性模量、惯矩，E_sm、I_sm分别为圆柱体的弹性模量、惯矩，d_p为压电纤维束的压电常数，ρ为流体密度，A为流体在圆柱体上的作用面积，C_d为作为圆柱体的拖拽力系数，l为圆柱体的长度，r_p为压电纤维束截面半径；
所述测量数据处理模块利用二维PSD位移传感器获得的激光光斑的坐标值(x_t,y_t)，利用式II计算流体流动方向角度θ：
θ=π+arctanytxt,(xt>0)2π+arctanytx,(xt<0,yt>0oryt=0)arctanytxt,(xt<0,yt<0oryt=0)3π4,(xt=0,yt>0)π4,(xt=0,yt<0)]]>式II。
本发明为流体定点监测提供了一种解决方案。本发明装置结构简单，体型小巧，可以减少对流体的扰动，采用压电技术测量流体的流速，采用光电定位技术测量流体的流向，可以得到与测量装置底座平面平行的二维流体信息，实施例中的装置可以测量从0到10m/s的流速，精度可达0.001m/s，并实现0-360度的流向数据测量，特别适合低速流场信息的精确测量。通过选择相应的压电纤维的材料及数量，可以实现更大范围的流速测量，理论上可以实现0-50m/s流速的测量，测向的范围均为平面0-360度。该装置还可以安装在大型水下运载设备或平台的外围，提供其外围流场信息的监测。
附图说明
图1为本发明提供的测量装置实例结构示意图；
图2a为圆柱体的截面图，图2b为压电纤维束的截面图；
图3为激光发射准直模块结构图；
图4为装置在流体冲击下的形变原理图；
图5为测速标定示意图；
图6为测向平面光斑运动示意图；
图中，1为圆柱体，2为压电纤维束，3为激光发射准直模块，4为弹性阻尼体，5为底座，6为二维PSD位移传感器，7为PSD承载及信号放大电路板，8为测量数据处理模块，9为防水信号线转接口，10为电路板支撑柱，12为上压电集电极，13为上压电集电极输出导线，14为下压电集电极，15为下压电集电极输出导线，16为激光驱动模块，17为激光二极管，18为准直透镜，19为微小透光孔，20铜质散热管，21为导热塑料管，22为调速电机，23为直线导轨，24为拉绳，25为载物台，26为水槽，27为水，11为壳体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了克服现有的流速、流向测量方法的缺陷，并完成流速流向测量的同步，本发明采用间接测量法，将流体的流动转换为浸入流体中固定在弹性底座上的圆柱体的偏转运动，该圆柱体内部中心轴线区域安装有压电纤维束，通过建立圆柱体的偏转角度、偏转方向与流体流速、流向的关系实现测量。
如图1所示，本发明提供的测量装置包括圆柱体1、压电纤维束2，激光发射准直模块3，弹性阻尼体4，底座5，二维PSD(Position Sensitive Detector)位移传感器6，PSD承载及信号放大电路板7，测量数据处理模块8，上压电集电极12，以及下压电集电极14。
弹性阻尼体4安装在底座5上，圆柱体1安装在弹性阻尼体4上，圆柱体1与弹性阻尼体4采用同一种弹性材料，一体成型，弹性模量在2.5MPa以上，硬度在邵氏A40-60之间。圆柱体1内安装有压电纤维束2和激光发射准直模块3，压电纤维束2位于圆柱体1内部中心轴线区域，压电纤维束2的长度优选为圆柱体1总长的3/4左右，压电纤维束2上端安装有上压电集电极12。压电纤维束2下端安装有下压电集电极极14，并固定在激光发射准直模块3的外壳上。上压电集电极12和下压电集电极14，负责收集压电纤维两端产生的电荷两个电极极性相反，从而形成电压差。
激光发射准直模块3下端穿过弹性阻尼体4进入到底座5内部，激光发射准直模块3负责发射准直的激光光线。实施例中，底座5内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间，呈放射状的目的是为了配合激光的运动。
底座5空腔内固定安装有二维PSD位移传感器6、PSD承载及信号放大电路板7和测量数据处理模块8。
PSD承载及信号放大电路板7与测量数据处理模块8采用层叠安装，中间用电路板支撑柱10连接并固定在底座5的底面，底座5的底面中心安装有防水信号线转接口9。防水信号线转接口9用于传输数据，还用于为测量数据处理模块8、激光发射准直模块3、PSD承载及信号放大电路板7提供电源。
测量数据处理模块8通过上压电集电极输出导线13与上压电集电极12连接，通过下压电集电极输出导线15与下压电集电极14连接，获得压电纤维束2的压电电压信号，并计算得到液体的流速。
二维PSD位移传感器6用于接收激光发射准直模块3出射的激光束，二维PSD位移传感器6发生光电反应，将电信号输入到PSD承载及信号放大电路板7。PSD承载及信号放大电路板7负责将二维PSD位移传感器6发出的测量信号放大并传输到测量数据处理模块8进行处理。测量数据处理模块8利用该测量信号得到光斑中心的坐标值，计算得到流体的流向。
测量数据处理模块8主要采用单片机等智能芯片处理测量数据并输出给外部设备。
本发明实例中激光发射准直模块3的结构如图3所示，主要由壳体11、激光驱动模块16、激光二极管17和准直透镜18构成，壳体28为中空圆柱状，激光驱动模块16位于壳体28顶部，激光二极管17位于壳体28的上部，准直透镜18位于壳体28的下部。激光二极管17发射激光，到达准直透镜18，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束。壳体28底部设有微小透光孔19。微小透光孔19保证了经准直后的出射激光束到达二维PSD位移传感器6产生的光斑直径足够小。
壳体28可以采用铜质散热管20和导热塑料管21嵌套构成，主要起散热和固定作用。
测量数据处理模块8输入经PSD承载及信号放大电路板7放大后的测量信号并对其进行处理，最后将结果输出。测量数据处理模块8包括信号输入接口，模拟数字信号转换单元，单片机，以及信号输出接口等。单片机是主要信号处理元件，从二维PSD位移传感器6输出的光斑位置信号经信号输入接口和模拟数字信号转换单元放大并模数转换后，输入到单片机中运算，得到光斑的位置坐标，再经信号输出接口输出。单片机可以是51单片机，可以是PIC单片机，或者其它的等等，只要能实现数字运算并有多路输入输出即可，将光斑位置信息获取后，采用本发明的测量方法计算得到流速方向值和速度值。
本发明所提供的压电测量方法如下：
如图4所示，在流水冲击下，压电纤维束2发生扭转弯曲，产生压电信号，压电纤维束2两端的集电极分别产生电荷，并形成压差，产生压电电压信号V，也就是压电纤维束2的表面电压V_p，随着流速v的增加，压电纤维束2弯曲程度增大，压电信号变强，电压信号V也增加，并使得包含有压电纤维束2及激光发射准直模块3的圆柱体1持续发生偏转，激光发射准直模块3发出的激光方向也持续偏转，在二维PSD位置传感器6上的光斑位置也持续偏转，且光斑的偏转方向与流体冲击的方向恰好相反，反之，随着流速v的减小，压电纤维束2弯曲程度减小，压电信号变弱，电压信号V也减小，在弹性阻尼体4的作用下，仍然使得包含有压电纤维束2及激光发射准直模块3的圆柱体1持续发生偏转，但偏转量逐渐减少，直到流体速度降为零，圆柱体1回复到初始位置，激光发射准直模块3发出的激光方向也回复到初始位置，为二维PSD位移传感器6的中心。这样，测量激光光斑在二维PSD位置传感器上的位置坐标，即可得到对应的流体流动方向，即本发明中的光电测量方法；建立压电电压信号V与流速v的关系式，测量压电电压信号V的大小，即可得到对应的流体流速的大小。
本发明采用压电技术方法，建立压电电压信号V与流速v的关系式的具体步骤是：
1.流体流速与圆柱体1受力形变之间的关系为：
流体对圆柱体1冲击施加的力
Fd=12ρv2ACd---(1)]]>
其中，ρ为流体密度，v为流体速度，A为流体在圆柱体1上的作用面积，C_d为作为圆柱体1的拖拽力系数。
2.圆柱体1受力产生弯矩M为
M=Fdl=12ρv2ACdl---(2)]]>
其中，l为圆柱体1的长度。
3.圆柱体1与压电纤维束2组成的整体同时弯曲变形后，具有以下关系：
M＝M_p+M_sm (3)
MpEpIp=MsmEsmIsm=1ξ---(4)]]>
其中，M_p为压电纤维束2所受弯矩，M_sm为圆柱体1所受弯矩，E_p、I_p分别为压电纤维束2的弹性模量、惯矩，E_sm、I_sm分别为圆柱体1的弹性模量、惯矩，ξ为整体的曲率半径，M为整体的弯矩。
4.联立式(1)(2)(3)(4)，
得压电纤维束2所受弯矩M_p为：
Mp=ρv2ACdlEpIp2(EpIp+EsmIsm)---(5)]]>
得压电纤维束2弯曲的曲率ξ为
1ξ=ρv2ACdl2(EpIp+EsmIsm)---(6)]]>
5.参考图2，建立由x、r、三个方向组成的圆柱坐标轴，其中，x轴垂直于截面方向，r轴为过压电纤维束2截面圆心指向半径方向，为圆周方向，得到压电纤维束2的应变s为

6.得到压电纤维束2的电位移D为：

其中，d_p为压电纤维束2的压电常数。
7.压电纤维束2表面的电荷数Q_p为

其中，r_p为压电纤维束2截面半径。
8.反解式(9)，得流体流速v为
v=Qp(EpIp+EsmIsm)2dpEpρACdl2rp2---(10)]]>
其中，Q_p为压电纤维束2产生的电荷数。
测得压电纤维束2产生的电荷数Q_p，即可通过式(10)计算得到流体的流速v。
进一步的，由于压电纤维束2自身产生电荷量Q_p，导致其表面电压V_p变化，两者之间具有关系
Vp=QpCs---(11)]]>
其中，C_s为压电纤维束2本身静电容量，可以通过测量压电纤维束2的表面电压V_p得到相应的电荷量Q_p。
联立式(10)(11)，得到
v=VpCs(EpIp+EsmIsm)2dpEpρACdl2rp2---(12)]]>
式中，v为流体速度，V_p为压电纤维束2的表面电压，C_s为压电纤维束2本身静电容量，E_p、I_p分别为压电纤维束2的弹性模量、惯矩，E_sm、I_sm分别为圆柱体1的弹性模量、惯矩，d_p为压电纤维束2的压电常数，ρ为流体密度，A为流体在圆柱体1上的作用面积，C_d为作为圆柱体1的拖拽力系数，l为圆柱体1的长度，r_p为压电纤维束2截面半径。
即得到，一般地，流速v与电压V_p具有如下函数关系
v=f(Vp12)---(13)]]>
进一步的，为提高准确度，实施例中将关系式(13)扩展成为：
v=aVp+bVp12---(14)]]>
a，b为权值系数，进一步的，可采取标定时所测得的多组数据，通过曲线拟合得到速度v与V_p的其它形式表达式，具体可通过标定获得。
在实际应用中，为了得到式(14)中准确的系数，可以通过直接对置入圆柱体1内的压电纤维束2进行标定，得到流体速度与压电纤维束2产生电压的关系，可以采用静水标定法，也可采用射流法。本实例中采用了静水标定法，如图5所示：
在水槽26中放置一定量的水27，水保持静止。水槽26上方架设直线导轨23，直线导轨23上安装有可滑动的载物台25，通过拉绳24，载物台25与调速电机22连接在一起，调速电机22转动，卷动拉绳24，使载物台25朝向调速电机22的方向移动，载物台25下部安装有本发明所述的测量装置，装置的底座5固定在载物台25上，保证圆柱体1全部深入水里，同时底座5不影响滑行中水面的变化。标定时，载物台25与圆柱体1在直线导轨23上远离调速电机22的一端，静水中，启动调速电机22并使其始终保持在一个速度，使得拉绳24拉动载物台25及圆柱体1以一个定速v移动，通过本发明的装置测量得到压电纤维束2产生的瞬时电压V_p，记录下定速v与电压V_p，不断调整调速电机22的速度，重复上述步骤，记录下对应的压电纤维束2产生的电压值V_p，得到多于10组的数据，依照式(14)的函数形式开展曲线拟合，即可得到式(14)的系数a，b的具体值。
进一步的，通过采用不同的压电纤维束2的材料及数量，达到测量环境对压电纤维束2所需要的弹性模量，可以得到不同的系数a，b，从而扩展了装置的测量范围。理论测量范围可以达到0-50m/s。
本发明采用光电技术方法，测量流体流向的具体步骤是：
功率在mW级的激光二极管17发射激光，到达准直透镜18，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，照射在二维PSD位移传感器6上。水流冲击圆柱体1后，圆柱体1发生偏转，带动激光发射准直模块3也发生偏转，偏转方向与水流运动方向相反，激光发射准直模块3发出的激光束在二维PSD位移传感器6上的光斑也发生移动，该光斑相对静止位置的二维PSD位移传感器6中心的方向也与水流运动方向相反。建立如图6所示的直角坐标系，初始时刻，没有水流的冲击作用，圆柱体1垂直于底座5的底面，激光光斑在二维PSD位移传感器6的中心位置，作为坐标系的原点，此时流体速度为0，如图6所示，记该初始点为原点O，建立直角坐标系，使得坐标系的x轴，y轴分别与二维PSD位移传感器6的平面坐标系对应轴重合。
开始测量后，二维PSD位移传感器6接收激光束产生的电信号，并经过PSD承载及信号放大电路板7、测量数据处理模块8处理，得到激光光斑在二维PSD位移传感器6上的光斑坐标值为直角坐标系中M点的坐标(x_t,y_t)，该坐标值相对于原点及坐标轴而言，随流体冲击作用构成矢量变化，该矢量的方向即与流体流动方向恰好相反，即测得流体的当前运行方向与底座5在的平面相平行的二维平面上，方向为矢量的逆方向，即对应坐标(-x_t,-y_t)的矢量的方向，图6中为虚线箭头方向。
即以建立的如图6所示的直角坐标系中，流体流动方向角度θ为与以x轴的正方向为起始边，以流体运动方向为终边的夹角为
θ=π+arctanytxt,(xt>0)2π+arctanytx,(xt<0,yt>0oryt=0)arctanytxt,(xt<0,yt<0oryt=0)3π4,(xt=0,yt>0)π4,(xt=0,yt<0)---(15)]]>
测量数据通过防水信号线转接口9输出到指定位置，完成测量。实例：
本实施例中采用弹性模量在3.0MPa硬度为邵氏A52的硅胶，弹性阻尼体4为圆盘状，内径3mm，外径10mm，厚度2.5mm，圆柱体1长度100mm，直径3mm。压电纤维束2采用PVDF压电纤维束，长度75mm，由20根PVDF压电纤维组成，最大可以产生35.00mV的电压，其弹性模量为0.5GPa。测量数据处理模块8用单片机。
实施例中采用导电橡胶作为弹性导线11的材料，实施例中激光功率为50mW，经准直后激光束直径不超过1.2mm，微小透光孔19直径1mm，光斑直径1mm。
实施例中测速时压电电压V_p与流速v具有函数关系：
v=83.674Vp+37.935Vp12]]>
测速的范围为0m/s-10m/s，精度为0.001m/s，
测向范围为0°到360°。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

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1、(10)申请公布号 CN 104198756 A (43)申请公布日 2014.12.10 CN 104198756 A (21)申请号 201410431303.9 (22)申请日 2014.08.28 G01P 5/08(2006.01) G01P 13/02(2006.01) (71)申请人华中科技大学地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037 号 (72)发明人陈学东朱连利 (74)专利代理机构华中科技大学专利中心 42201 代理人曹葆青 (54) 发明名称一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法 (57) 摘要本发明公开了一种压电与光电复合的液。

2、体流速流向测量装置及其方法，装置包括圆柱体，压电纤维束，激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维 PSD 位移传感器， PSD 承载及信号放大电路板，以及测量数据处理模块；本发明利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束压差与流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。本发明结构简单，体型小巧，可以减少对流体的扰动，特别适合低速流场信息的精确测量。该装置可以安装在大型水下运载设备或平台的外。

3、围，提供其外围流场信息的监测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页说明书 8 页附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书2页说明书8页附图3页 (10)申请公布号 CN 104198756 A CN 104198756 A 1/2 页 2 1. 一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置包括利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压电电荷，其两端产生电压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束电压差与流。

4、体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。 2. 根据权利要求 1 所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置还包括激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维 PSD 位移传感器， PSD 承载及信号放大电路板，测量数据处理模块；所述弹性阻尼体安装在底座上，圆柱体安装在弹性阻尼体上，圆柱体与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于圆柱体的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差；所述激光发射准直模块安装在圆柱体的下部，激光发射准直模块下端穿过弹性阻尼体进入到底。

5、座内部，激光发射准直模块用于发射准直的激光光线；所述底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维 PSD 位移传感器、 PSD 承载及信号放大电路板和测量数据处理模块；所述底座的底面中心安装有防水信号线转接口；防水信号线转接口用于传输数据，还用于为测量数据处理模块、激光发射准直模块、 PSD 承载及信号放大电路板提供电源；所述测量数据处理模块与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速；所述二维 PSD 位移传感器用于接收激光发射准直模块出射的激光束，二维 PSD 位移传感器将发生光电反应产生的电信号输入到 PSD 承载。

6、及信号放大电路板， PSD 承载及信号放大电路板将放大后的电信号提供给测量数据处理模块；测量数据处理模块获得 PSD 承载及信号放大电路板放大后的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。 3. 根据权利要求 1 所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述圆柱体与所述弹性阻尼体的弹性模量在 2.5MPa 以上，硬度在邵氏 A40-60 之间。 4.根据权利要求1、 2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述压电纤维束的长度为所述圆柱体总长的 3/4。 5.根据权利要求1、 2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述。

7、底座内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间，以配合激光的发射状态。 6.根据权利要求1、 2或3所述的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，所述激光发射准直模块主要由壳体、激光驱动模块、激光二极管和准直透镜构成，壳体为中空圆柱状，激光驱动模块位于壳体顶部，激光二极管位于壳体的上部，准直透镜位于壳体的下部；激光二极管发射激光，到达准直透镜，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束；壳体底部设有微小透光孔，以保证经准直后的出射激光束到达二维 PSD 位移传感器产生的光斑直径足够小。 7. 一种利用权利要求 2 所述的装置进行流体流速流向测量的方法，其特征在于。

8、，所述测量数据处理模块获得压电纤维束的表面电压 Vp，利用式 I 计算流体速度 v ：权利要求书 CN 104198756 A 2 2/2 页 3 式 I 式中， Vp为压电纤维束的表面电压， Cs为压电纤维束本身静电容量， Ep、 Ip分别为压电纤维束的弹性模量、惯矩， Esm、 Ism分别为圆柱体的弹性模量、惯矩， dp为压电纤维束的压电常数，为流体密度， A 为流体在圆柱体上的作用面积， Cd为作为圆柱体的拖拽力系数， l 为圆柱体的长度， rp为压电纤维束截面半径；所述测量数据处理模块利用二维 PSD 位移传感器获得的激光光斑的坐标值 (xt,yt)，。

9、利用式 II 计算流体流动方向角度：式 II 。 8. 根据权利要求 7 所述的方法，其特征在于，流体速度 v 的计算公式为式 III ：式 III 其中， a， b 为利用式 I，通过标定方法所获得的权值系数。权利要求书 CN 104198756 A 3 1/8 页 4 一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法技术领域 0001 本发明属于流体测量技术，涉及了一种测量流体流速流向的装置及其方法，具体地说，提出了一种采用压电技术和光电技术相结合的流速流向测量装置与方法。背景技术 0002 目前的流速测量领域，一般采用螺旋桨等旋转机构，流体流过时，。

10、推动螺旋桨等旋转机构转动，把旋转机构转动的速度换算后得到流体流速。这种测量方式，对于流体速度较高、不需要实时精确测量的环境是可行的，但对于需要精确实时测量的环境以及流速微小流体的测量，因其旋转机构机械传动的滞后原因造成的误差较大，往往测量效果不佳，同时，旋转机械结构导致了这种设备的可靠性及寿命受到影响，长期使用会造成累积误差，另外，目前的流速仪往往构型较大，造成对流体流动过程的扰动，不利于需要精确保持流体性状的测量。对于可同时测得流速和流向的设备，目前主要采用超声波多普勒技术、激光技术等，虽然可以精确测量流体环境数据，但成本较高、造价昂贵，。

11、且结构复杂、本体及附属设备体型较大、不易操作，作为测量平台在水下运载设备上不易安装使用，且激光测量技术在浑浊水体不宜使用。发明内容 0003 本发明提供一种压电与光电复合的流体流速流向测量装置及其方法，目的在于为流体监测提供一种方便、有效、简单和快捷的测量方式。 0004 本发明提供的一种流体流速流向测量装置，其特征在于，该装置包括利用弹性圆柱体以及安装在圆柱体内部中心轴线区域的压电纤维束，将流体的流动转换为浸入流体中的圆柱体的偏转运动，以及压电纤维束随圆柱体偏转产生压电电荷，其两端产生电压差，利用圆柱体的偏转与流体流向的关系，以及压电纤维束电压差与。

12、流体流速的关系，实现流体的流速和流向的测量。 0005 作为上述技术方案的优选，本发明装置的具体实现结构为：该装置还包括激光发射准直模块，弹性阻尼体，底座，二维 PSD 位移传感器， PSD 承载及信号放大电路板，测量数据处理模块； 0006 弹性阻尼体安装在底座上，圆柱体安装在弹性阻尼体上，圆柱体与弹性阻尼体采用同一种弹性材料一体成型，压电纤维束位于圆柱体的上部，压电纤维束两端分别安装有压电集电极，负责收集压电纤维两端产生的电荷，两个压电集电极极性相反以形成电压差； 0007 激光发射准直模块安装在圆柱体的下部，激光发射准直模块下端穿过弹性阻尼体。

13、进入到底座内部，激光发射准直模块用于发射准直的激光光线； 0008 底座空腔内固定安装有依次电信号连接的二维 PSD 位移传感器、 PSD 承载及信号放大电路板和测量数据处理模块； 0009 底座的底面中心安装有防水信号线转接口；防水信号线转接口用于传输数据，还说明书 CN 104198756 A 4 2/8 页 5 用于为测量数据处理模块、激光发射准直模块、 PSD 承载及信号放大电路板提供电源； 0010 测量数据处理模块与压电纤维束两端的压电集电极电连接，得到压电纤维束的压电电压信号，以获得流体的流速； 0011 二维 PSD 位移传感器用于接收激光发射。

14、准直模块出射的激光束，二维 PSD 位移传感器将发生光电反应产生的电信号输入到 PSD 承载及信号放大电路板， PSD 承载及信号放大电路板将放大后的电信号提供给测量数据处理模块；测量数据处理模块获得 PSD 承载及信号放大电路板放大后的测量信号，计算得到激光束光斑中心的坐标值，以得到流体的流向。 0012 本发明提供的上述流速流向测量装置的测量方法，所述测量数据处理模块获得压电纤维束的表面电压 Vp，利用式 I 计算流体速度 v ： 0013 式 I 0014 式中， Vp为压电纤维束的表面电压， Cs为压电纤维束本身静电容量， Ep、 Ip分别为压电纤维束的弹性模。

15、量、惯矩， Esm、 Ism分别为圆柱体的弹性模量、惯矩， dp为压电纤维束的压电常数，为流体密度， A 为流体在圆柱体上的作用面积， Cd为作为圆柱体的拖拽力系数， l 为圆柱体的长度， rp为压电纤维束截面半径； 0015 所述测量数据处理模块利用二维 PSD 位移传感器获得的激光光斑的坐标值 (xt,yt)，利用式 II 计算流体流动方向角度： 0016 式 II。 0017 本发明为流体定点监测提供了一种解决方案。本发明装置结构简单，体型小巧，可以减少对流体的扰动，采用压电技术测量流体的流速，采用光电定位技术测量流体的流向，可以得到与测量装置底座平面平行的二。

16、维流体信息，实施例中的装置可以测量从 0 到 10m/ s 的流速，精度可达 0.001m/s，并实现 0-360 度的流向数据测量，特别适合低速流场信息的精确测量。通过选择相应的压电纤维的材料及数量，可以实现更大范围的流速测量，理论上可以实现 0-50m/s 流速的测量，测向的范围均为平面 0-360 度。该装置还可以安装在大型水下运载设备或平台的外围，提供其外围流场信息的监测。附图说明 0018 图 1 为本发明提供的测量装置实例结构示意图； 0019 图 2a 为圆柱体的截面图，图 2b 为压电纤维束的截面图； 0020 图 3 为激光发射准直模块结构图。

17、； 0021 图 4 为装置在流体冲击下的形变原理图；说明书 CN 104198756 A 5 3/8 页 6 0022 图 5 为测速标定示意图； 0023 图 6 为测向平面光斑运动示意图； 0024 图中， 1为圆柱体， 2为压电纤维束， 3为激光发射准直模块， 4为弹性阻尼体， 5为底座， 6 为二维 PSD 位移传感器， 7 为 PSD 承载及信号放大电路板， 8 为测量数据处理模块， 9 为防水信号线转接口， 10 为电路板支撑柱， 12 为上压电集电极， 13 为上压电集电极输出导线， 14为下压电集电极， 15为下压电集电极输出导线， 16为激光驱动模块， 17。

18、为激光二极管， 18 为准直透镜， 19 为微小透光孔， 20 铜质散热管， 21 为导热塑料管， 22 为调速电机， 23 为直线导轨， 24 为拉绳， 25 为载物台， 26 为水槽， 27 为水， 11 为壳体。具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 0026 为了克服现有的流速、流向测量方法的缺陷，并完成流速流向测量的同步，本发明采用间接测量法，将流。

19、体的流动转换为浸入流体中固定在弹性底座上的圆柱体的偏转运动，该圆柱体内部中心轴线区域安装有压电纤维束，通过建立圆柱体的偏转角度、偏转方向与流体流速、流向的关系实现测量。 0027 如图1所示，本发明提供的测量装置包括圆柱体1、压电纤维束2，激光发射准直模块3，弹性阻尼体4，底座5，二维PSD(Position Sensitive Detector)位移传感器6， PSD承载及信号放大电路板 7，测量数据处理模块 8，上压电集电极 12，以及下压电集电极 14。 0028 弹性阻尼体 4 安装在底座 5 上，圆柱体 1 安装在弹性阻尼体 4 上，圆柱体 1 。

20、与弹性阻尼体 4 采用同一种弹性材料，一体成型，弹性模量在 2.5MPa 以上，硬度在邵氏 A40-60 之间。圆柱体 1 内安装有压电纤维束 2 和激光发射准直模块 3，压电纤维束 2 位于圆柱体 1 内部中心轴线区域，压电纤维束 2 的长度优选为圆柱体 1 总长的 3/4 左右，压电纤维束 2 上端安装有上压电集电极 12。压电纤维束 2 下端安装有下压电集电极极 14，并固定在激光发射准直模块3的外壳上。上压电集电极12和下压电集电极14，负责收集压电纤维两端产生的电荷两个电极极性相反，从而形成电压差。 0029 激光发射准直模块 3 下端穿过弹性阻尼体。

21、4 进入到底座 5 内部，激光发射准直模块 3 负责发射准直的激光光线。实施例中，底座 5 内空腔是一个整体呈放射状的密闭空间，呈放射状的目的是为了配合激光的运动。 0030 底座 5 空腔内固定安装有二维 PSD 位移传感器 6、 PSD 承载及信号放大电路板 7 和测量数据处理模块 8。 0031 PSD承载及信号放大电路板7与测量数据处理模块8采用层叠安装，中间用电路板支撑柱 10 连接并固定在底座 5 的底面，底座 5 的底面中心安装有防水信号线转接口 9。防水信号线转接口 9 用于传输数据，还用于为测量数据处理模块 8、激光发射准直模块 3、 PSD 承载及信号。

22、放大电路板 7 提供电源。 0032 测量数据处理模块 8 通过上压电集电极输出导线 13 与上压电集电极 12 连接，通过下压电集电极输出导线 15 与下压电集电极 14 连接，获得压电纤维束 2 的压电电压信号，并计算得到液体的流速。说明书 CN 104198756 A 6 4/8 页 7 0033 二维 PSD 位移传感器 6 用于接收激光发射准直模块 3 出射的激光束，二维 PSD 位移传感器 6 发生光电反应，将电信号输入到 PSD 承载及信号放大电路板 7。PSD 承载及信号放大电路板 7 负责将二维 PSD 位移传感器 6 发出的测量信号放大并传输到测量数据。

23、处理模块 8 进行处理。测量数据处理模块 8 利用该测量信号得到光斑中心的坐标值，计算得到流体的流向。 0034 测量数据处理模块 8 主要采用单片机等智能芯片处理测量数据并输出给外部设备。 0035 本发明实例中激光发射准直模块3的结构如图3所示，主要由壳体11、激光驱动模块 16、激光二极管 17 和准直透镜 18 构成，壳体 28 为中空圆柱状，激光驱动模块 16 位于壳体 28 顶部，激光二极管 17 位于壳体 28 的上部，准直透镜 18 位于壳体 28 的下部。激光二极管 17 发射激光，到达准直透镜 18，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束。。

24、壳体 28 底部设有微小透光孔 19。微小透光孔 19 保证了经准直后的出射激光束到达二维 PSD 位移传感器 6 产生的光斑直径足够小。 0036 壳体 28 可以采用铜质散热管 20 和导热塑料管 21 嵌套构成，主要起散热和固定作用。 0037 测量数据处理模块 8 输入经 PSD 承载及信号放大电路板 7 放大后的测量信号并对其进行处理，最后将结果输出。测量数据处理模块 8 包括信号输入接口，模拟数字信号转换单元，单片机，以及信号输出接口等。单片机是主要信号处理元件，从二维PSD位移传感器6 输出的光斑位置信号经信号输入接口和模拟数字信号转换单元放大并模数转换后，。

25、输入到单片机中运算，得到光斑的位置坐标，再经信号输出接口输出。单片机可以是 51 单片机，可以是 PIC 单片机，或者其它的等等，只要能实现数字运算并有多路输入输出即可，将光斑位置信息获取后，采用本发明的测量方法计算得到流速方向值和速度值。 0038 本发明所提供的压电测量方法如下： 0039 如图4所示，在流水冲击下，压电纤维束2发生扭转弯曲，产生压电信号，压电纤维束 2 两端的集电极分别产生电荷，并形成压差，产生压电电压信号 V，也就是压电纤维束 2 的表面电压 Vp，随着流速 v 的增加，压电纤维束 2 弯曲程度增大，压电信号变强，电压信号。

26、 V 也增加，并使得包含有压电纤维束 2 及激光发射准直模块 3 的圆柱体 1 持续发生偏转，激光发射准直模块 3 发出的激光方向也持续偏转，在二维 PSD 位置传感器 6 上的光斑位置也持续偏转，且光斑的偏转方向与流体冲击的方向恰好相反，反之，随着流速 v 的减小，压电纤维束 2 弯曲程度减小，压电信号变弱，电压信号 V 也减小，在弹性阻尼体 4 的作用下，仍然使得包含有压电纤维束 2 及激光发射准直模块 3 的圆柱体 1 持续发生偏转，但偏转量逐渐减少，直到流体速度降为零，圆柱体 1 回复到初始位置，激光发射准直模块 3 发出的激光方向也回复到初始。

27、位置，为二维 PSD 位移传感器 6 的中心。这样，测量激光光斑在二维 PSD 位置传感器上的位置坐标，即可得到对应的流体流动方向，即本发明中的光电测量方法；建立压电电压信号 V 与流速 v 的关系式，测量压电电压信号 V 的大小，即可得到对应的流体流速的大小。 0040 本发明采用压电技术方法，建立压电电压信号 V 与流速 v 的关系式的具体步骤是： 0041 1. 流体流速与圆柱体 1 受力形变之间的关系为：说明书 CN 104198756 A 7 5/8 页 8 0042 流体对圆柱体 1 冲击施加的力 0043 0044 其中，为流体密度， v 为。

28、流体速度， A 为流体在圆柱体 1 上的作用面积， Cd为作为圆柱体 1 的拖拽力系数。 0045 2. 圆柱体 1 受力产生弯矩 M 为 0046 0047 其中， l 为圆柱体 1 的长度。 0048 3. 圆柱体 1 与压电纤维束 2 组成的整体同时弯曲变形后，具有以下关系： 0049 M Mp+Msm (3) 0050 0051 其中， Mp为压电纤维束 2 所受弯矩， Msm为圆柱体 1 所受弯矩， Ep、 Ip分别为压电纤维束 2 的弹性模量、惯矩， Esm、 Ism分别为圆柱体 1 的弹性模量、惯矩，为整体的曲率半径， M 为整体的弯矩。 0052 4. 联立式 (。

29、1)(2)(3)(4)， 0053 得压电纤维束 2 所受弯矩 Mp为： 0054 0055 得压电纤维束 2 弯曲的曲率为 0056 0057 5. 参考图 2，建立由 x、 r、三个方向组成的圆柱坐标轴，其中， x 轴垂直于截面方向， r 轴为过压电纤维束 2 截面圆心指向半径方向，为圆周方向，得到压电纤维束 2 的应变 s 为 0058 0059 6. 得到压电纤维束 2 的电位移 D 为： 0060 0061 其中， dp为压电纤维束 2 的压电常数。 0062 7. 压电纤维束 2 表面的电荷数 Qp为 0063 说明书 CN 104198756 A 8 6/。

30、8 页 9 0064 其中， rp为压电纤维束 2 截面半径。 0065 8. 反解式 (9)，得流体流速 v 为 0066 0067 其中， Qp为压电纤维束 2 产生的电荷数。 0068 测得压电纤维束 2 产生的电荷数 Qp，即可通过式 (10) 计算得到流体的流速 v。 0069 进一步的，由于压电纤维束 2 自身产生电荷量 Qp，导致其表面电压 Vp变化，两者之间具有关系 0070 0071 其中， Cs为压电纤维束2本身静电容量，可以通过测量压电纤维束2的表面电压Vp 得到相应的电荷量 Qp。 0072 联立式 (10)(11)，得到 0073 0074 式中， v。

31、为流体速度， Vp为压电纤维束 2 的表面电压， Cs为压电纤维束 2 本身静电容量， Ep、 Ip分别为压电纤维束 2 的弹性模量、惯矩， Esm、 Ism分别为圆柱体 1 的弹性模量、惯矩， dp为压电纤维束 2 的压电常数，为流体密度， A 为流体在圆柱体 1 上的作用面积， Cd 为作为圆柱体 1 的拖拽力系数， l 为圆柱体 1 的长度， rp为压电纤维束 2 截面半径。 0075 即得到，一般地，流速 v 与电压 Vp具有如下函数关系 0076 0077 进一步的，为提高准确度，实施例中将关系式 (13) 扩展成为： 0078 0079 a， b 为权值系数，。

32、进一步的，可采取标定时所测得的多组数据，通过曲线拟合得到速度 v 与 Vp的其它形式表达式，具体可通过标定获得。 0080 在实际应用中，为了得到式 (14) 中准确的系数，可以通过直接对置入圆柱体 1 内的压电纤维束2进行标定，得到流体速度与压电纤维束2产生电压的关系，可以采用静水标定法，也可采用射流法。本实例中采用了静水标定法，如图 5 所示： 0081 在水槽26中放置一定量的水27，水保持静止。水槽26上方架设直线导轨23，直线导轨 23 上安装有可滑动的载物台 25，通过拉绳 24，载物台 25 与调速电机 22 连接在一起，调速电机 22 。

33、转动，卷动拉绳 24，使载物台 25 朝向调速电机 22 的方向移动，载物台 25 下部安装有本发明所述的测量装置，装置的底座 5 固定在载物台 25 上，保证圆柱体 1 全部深入水里，同时底座 5 不影响滑行中水面的变化。标定时，载物台 25 与圆柱体 1 在直线导轨 23 说明书 CN 104198756 A 9 7/8 页 10 上远离调速电机 22 的一端，静水中，启动调速电机 22 并使其始终保持在一个速度，使得拉绳 24 拉动载物台 25 及圆柱体 1 以一个定速 v 移动，通过本发明的装置测量得到压电纤维束 2 产生的瞬时电压 Vp，记录下定速。

34、 v 与电压 Vp，不断调整调速电机 22 的速度，重复上述步骤，记录下对应的压电纤维束 2 产生的电压值 Vp，得到多于 10 组的数据，依照式 (14) 的函数形式开展曲线拟合，即可得到式 (14) 的系数 a， b 的具体值。 0082 进一步的，通过采用不同的压电纤维束 2 的材料及数量，达到测量环境对压电纤维束 2 所需要的弹性模量，可以得到不同的系数 a， b，从而扩展了装置的测量范围。理论测量范围可以达到 0-50m/s。 0083 本发明采用光电技术方法，测量流体流向的具体步骤是： 0084 功率在 mW 级的激光二极管 17 发射激光，到达准。

35、直透镜 18，经准直处理后散射的激光汇聚形成一个激光束，照射在二维 PSD 位移传感器 6 上。水流冲击圆柱体 1 后，圆柱体 1 发生偏转，带动激光发射准直模块 3 也发生偏转，偏转方向与水流运动方向相反，激光发射准直模块 3 发出的激光束在二维 PSD 位移传感器 6 上的光斑也发生移动，该光斑相对静止位置的二维 PSD 位移传感器 6 中心的方向也与水流运动方向相反。建立如图 6 所示的直角坐标系，初始时刻，没有水流的冲击作用，圆柱体1垂直于底座5的底面，激光光斑在二维 PSD 位移传感器 6 的中心位置，作为坐标系的原点，此时流体速度为 0，如图 6。

36、所示，记该初始点为原点 O，建立直角坐标系，使得坐标系的 x 轴， y 轴分别与二维 PSD 位移传感器 6 的平面坐标系对应轴重合。 0085 开始测量后，二维 PSD 位移传感器 6 接收激光束产生的电信号，并经过 PSD 承载及信号放大电路板 7、测量数据处理模块 8 处理，得到激光光斑在二维 PSD 位移传感器 6 上的光斑坐标值为直角坐标系中 M 点的坐标 (xt,yt)，该坐标值相对于原点及坐标轴而言，随流体冲击作用构成矢量变化，该矢量的方向即与流体流动方向恰好相反，即测得流体的当前运行方向与底座 5 在的平面相平行的二维平面上，方向为矢量的逆。

37、方向，即对应坐标 (-xt,-yt) 的矢量的方向，图 6 中为虚线箭头方向。 0086 即以建立的如图 6 所示的直角坐标系中，流体流动方向角度为与以 x 轴的正方向为起始边，以流体运动方向为终边的夹角为 0087 0088 测量数据通过防水信号线转接口 9 输出到指定位置，完成测量。实例： 0089 本实施例中采用弹性模量在 3.0MPa 硬度为邵氏 A52 的硅胶，弹性阻尼体 4 为圆盘状，内径 3mm，外径 10mm，厚度 2.5mm，圆柱体 1 长度 100mm，直径 3mm。压电纤维束 2 采用 PVDF 压电纤维束，长度 75mm，由 20 根。

38、PVDF 压电纤维组成，最大可以产生 35.00mV 的电压，其弹性模量为 0.5GPa。测量数据处理模块 8 用单片机。说明书 CN 104198756 A 10 8/8 页 11 0090 实施例中采用导电橡胶作为弹性导线 11 的材料，实施例中激光功率为 50mW，经准直后激光束直径不超过 1.2mm，微小透光孔 19 直径 1mm，光斑直径 1mm。 0091 实施例中测速时压电电压 Vp与流速 v 具有函数关系： 0092 0093 测速的范围为 0m/s-10m/s，精度为 0.001m/s， 0094 测向范围为 0到 360。 0095 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。说明书 CN 104198756 A 11 1/3 页 12 图 1 图 2a 图 2b 说明书附图 CN 104198756 A 12 2/3 页 13 图 3 图 4 图 5 说明书附图 CN 104198756 A 13 3/3 页 14 图 6 说明书附图 CN 104198756 A 14 。

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