一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计制造技术

本发明专利技术公开了一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计，所述光学传感器，包括光信号发射单元、位于涡轮轴体上的光路调节装置和光信号检测单元，光信号发射单元和光信号检测单元可以分别位于光路调节装置的两侧，也可以位于同一侧，光信号发射单元用于发出光信号，光路调节装置在涡轮轴体旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通或反射，光信号检测单元用于接收光信号发射单元发出的且未被光路调节装置遮挡的光信号，或接收被光路调节装置反射的光信号；所述涡轮轴体上固连涡轮。本发明专利技术的传感器具有检测速度快、精度高、安装和使用方便的优点，可方便地用于石油、化工和标准检定等领域，尤其适用于医疗生化应用对一次性流体管道使用的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种流体流量检测监控装置，特别是一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计。
技术介绍
涡轮流量计是一种常用流量计。在涡轮流量计中，涡轮结构主要用作流体的流速传感器，其工作原理是利用流体驱动涡轮转动的特性，通过涡轮流速传感器检测流体的流速，根据涡轮转速及流体管道物理参数和流体的流体特征参数计算出流体的速度及其流量。其中，涡轮流速传感器(本专利以下部分将简称为涡轮传感器)是涡轮流量计的关键部件。涡轮传感器主流是涡轮磁感应传感器(或称涡轮磁电转换传感器)。其工作原理为，流体管道外侧配置有产生磁场的装置，被测流体驱动涡轮转动时，涡轮叶片切割该磁场中的磁力线，产生与此相应的电脉冲信号，该脉冲信号的频率与涡轮转速成比例，根据脉冲频率和管道参数以及流体物理特征参数，就可以计算出流体流速和流量。涡轮磁感应传感器需要涡轮叶片为导磁材料制成，或叶片表面敷覆导磁材料，使得这种结构存在材料、加工和维护成本高，质量和精度不容易稳定，对电磁环境和被测流体的腐蚀性要求较高的问题。另一种涡轮传感器是光电传感器结构。涡轮光电传感器主要有两种结构，一种结构是涡轮轴向和被测流体的流速方向一致，这种方式通常利用光纤采集涡轮叶片的反射光来计算涡轮转速；另一种结构是涡轮轴向跟被测流体的流速方向垂直，流体从涡轮的切向推动涡轮转动，而涡轮叶片转动时对光路产生周期性阻隔和开放，从而产生周期性光电信号，并据以计算流速和流量。本专利以下将前者简称为涡轮反射式光纤传感器，将后者简称为涡轮切向光电传感器。涡轮反射式光纤传感器将光纤预设于流体管道，要求涡轮叶片能反射光，这不仅对叶片表面材质有较高的要求，还因为叶片表面不直接垂直于光纤传输方向，反射光强度比较低，对光源信号强度和光接收器灵敏度有较高要求；此外，涡轮叶片附近是流体密度变化最大的区域，这个流体密度的变化对光信号检测带来更多要求。这些，都会导致材料、制造、器件成本的提高。涡轮切向光电传感器在使用中，只有部分涡轮叶片受到流体的推动，与轴向涡轮结构相比，涡轮受力往往较小，这对流量较小的流体检测，准确度和精度容易受到影响。为减少这些影响，可以改建流体管道内的构造，比如通过增加喷嘴来调节流量，这不但增加制造成本，还容易影响流体特征，对检测产生另外的影响。此外，基于上述涡轮磁感应传感器、涡轮反射式光纤传感器、涡轮切向光电传感器的涡轮流量计，都是将传感器固定于流量计本体，不但材料和制造成本高，维护尤其是更换成本也高。在医疗和生化检测应用方面，为了健康或诊断和检测的准确性，有些流体管道不允许重复使用。在这些领域，前述涡轮流量计使用条件等方面都有很多限制或非常不方便，使用成本比较高。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种涡轮光学传感器，包括光信号发射单元、位于涡轮轴体上的光路调节装置和光信号检测单元；其中，光信号发射单元和光信号检测单元分别位于光路调节装置的两侧，光信号发射单元用于发出光信号，光路调节装置在涡轮轴体旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元用于接收光信号发射单元发出的且未被光路调节装置遮挡的光信号；所述涡轮轴体上固连涡轮；或者，光信号发射单元和光信号检测单元位于光路调节装置的同侧，光信号发射单元用于发出光信号，光路调节装置在涡轮轴体旋转过程中对光信号进行周期性的反射，光信号检测单元用于接收光信号发射单元发出的且被光路调节装置反射的光线。一种基于上述涡轮光学传感器的涡轮光学流量计，包括涡轮光学传感器、封装该涡轮光学传感器并用作被测流体通道的封装管道以及控制和信息处理装置，其中封装管道上设置涡轮光学传感器位置处对称设置一对透光窗口，光信号发射单元和光信号检测单元分别位于对应透光窗口的外侧，光信号发射单元发出的光线可通过该透光窗口；控制和信息处理装置与涡轮光学传感器相连，用于对涡轮光学传感器进行控制并对采集到的信息进行处理。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术公开的涡轮光学传感器，其涡轮光学结构跟现有的涡轮流量计的光学结构不同，其采集的光信号在传播过程中不接触涡轮叶片，信号强弱也跟涡轮叶片无关；2)本专利技术公开的涡轮光学传感器所采集的光信号不受涡轮制造误差、以及涡轮转动机构比如轴承误差的影响，能显著提高对系统误差的兼容能力，以及对环境比如外部震动等误差因素的兼容能力；3)本专利技术公开的涡轮光学传感器所采集的光信号在传播过程中，不受涡轮叶片附近流体浓度不规则剧烈变化的影响，不产生其它现有涡轮流量计存在的信号采样点丢失的问题；4)本专利技术的涡轮光学传感器检测数据的精度和准确性高、检测灵敏度高、稳定性高，可靠性高并且使用周期寿命长；5)本专利技术的涡轮光学传感器所含有的光源和光检测器成对配置，可以不必固定于被测流体的管道上；所成对配置的光源和光检测器，可根据实际应用要求而调整相对间隔以及相对于被测流体管道的位置，布设灵活；6)本专利技术的涡轮光学传感器可以适用于不同管径的流体管道，而不像现有涡轮流量计那样限制于一种固定管径的流体管道，这不但明显降低不同管道的使用成本，还明显降低维护更新成本；7)本专利技术的光学涡轮传感器尤其适用于医疗生化检测领域对被测流体管道不可重复使用的需求；所采用的光信号发射和光检测单元结构分置于流体通过的封装管道两侧或同侧，而不像现有涡轮流量计那样需要将涡轮传感器和流体管道固定在一起，因而置换管道非常方便，而且成本极低；8)光检测单元可以多个排列在被测流体管道的一侧，各检测器之间的间隔可根据设计排列，从而可以根据各检测器所采集到的光电信号特征，以及被测流体物质成分的光学特性，可以计算被测流体的颗粒密度或悬浊浓度、酸碱度、流体所含特定的物质成份及其浓度等等，即本专利技术的涡轮光学流量计可以检测和检测流量以外的其它流体信息；9)本专利技术的涡轮光学传感器比传统涡轮流量计结构简单、不需要复杂的导电线圈和导磁材料；所采集的光信号不是来自涡轮叶片、光信号的变化也不是来自涡轮叶片对光路的遮断，这些跟历来涡轮传感器不同的特征，具有检测速度快、精度高、抗腐蚀性好、易集成化、加工成型方便、重量轻、成本低、安装和使用方便的优点，可方便地用于石油、化工、水文、生化、医疗、食品、质量和标准检定等领域，尤其适用于医疗生化应用对一次性流体管道使用的需求；10)本专利技术的流量计可以用于大流量流体检测，也可以用于小流量流体检测。结构简单，精度高，寿命长，材料和制造成本低、易集成化、方便使用和版本更新。所述流量计可用于长时间检测和监控，还适用于医疗和生化领域所规定的低成本一次性使用。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术的涡轮光学流量计原理示意图。图2为本专利技术的涡轮光学传感器结构示意图。图3-1-a为实施例1中光束被涡轮轴外侧的薄片机械凸起阻断示意图。图3-1-b为实施例1中光束通过涡轮轴外侧示意图。图3-2为实施例1中光电信号与涡轮轴转动关系的示意图。图3-3为实施例1中光电信号与涡轮转动相关关系的测试波形图。图4-1-a为实施例2中光束通过涡轮轴体光学通孔示意图。图4-1-b为实施例2中光束被涡轮轴阻断示意图。图4-2为实施例2中光电信号与涡轮转动相关关系的示意图。图4-3为实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮光学传感器，其特征在于，包括光信号发射单元[1410]、位于涡轮轴体[1310]上的光路调节装置[1320]和光信号检测单元[1430]；其中，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于光路调节装置[1320]的两侧，光信号发射单元[1410]用于发出光信号，光路调节装置[1320]在涡轮轴体[1310]旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元[1430]用于接收光信号发射单元[1410]发出的且未被光路调节装置[1320]遮挡的光信号；所述涡轮轴体[1310]上固连涡轮[1300]；或者，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]位于光路调节装置[1320]的同侧，光信号发射单元[1410]用于发出光信号，光路调节装置[1320]在涡轮轴体[1310]旋转过程中对光信号进行周期性的反射，光信号检测单元[1430]用于接收光信号发射单元[1410]发出的且被光路调节装置[1320]反射的光线。

【技术特征摘要】
1.一种涡轮光学传感器，其特征在于，包括光信号发射单元[1410]、位于涡轮轴体[1310]上的光路调节装置[1320]和光信号检测单元[1430]；其中，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于光路调节装置[1320]的两侧，光信号发射单元[1410]用于发出光信号，光路调节装置[1320]在涡轮轴体[1310]旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元[1430]用于接收光信号发射单元[1410]发出的且未被光路调节装置[1320]遮挡的光信号；所述涡轮轴体[1310]上固连涡轮[1300]；或者，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]位于光路调节装置[1320]的同侧，光信号发射单元[1410]用于发出光信号，光路调节装置[1320]在涡轮轴体[1310]旋转过程中对光信号进行周期性的反射，光信号检测单元[1430]用于接收光信号发射单元[1410]发出的且被光路调节装置[1320]反射的光线。2.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于光路调节装置[1320]的两侧，所述光路调节装置[1320]为薄片机械凸起[13201]，该薄片机械凸起[13201]固连于涡轮轴体[1310]的外壁且可对光信号发射单元[1410]发出的光信号进行遮挡。3.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]位于光路调节装置[1320]的同侧，所述光路调节装置[1320]为薄片机械凸起[13201]，该薄片机械凸起[13201]固连于涡轮轴体[1310]的外壁且可对光信号发射单元[1410]发出的光信号进行反射，所述反射光信号被光信号检测单元[1430]接收。4.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于光路调节装置[1320]的两侧，所述光路调节装置[1320]为贯穿涡轮轴体[1310]的光学通孔[13202]，光信号发射单元[1410]发出的光信号可穿过该光学通孔，涡轮轴体[1310]的材料为不透光材料。5.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于光路调节装置[1320]的两侧，所述光路调节装置[1320]为设置在涡轮轴体[1310]侧壁的凹槽[13203]，光信号发射单元[1410]发出的光信号可通过该凹槽，涡轮轴体[1310]的材料为不透光材料。6.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，所述光信号发射单元[1410]包括光源[1411]、光源驱动器[1412]、电子调制器[1413]、光波长选择器[1414]以及对光源所发生的光进行光学处理以得到平行光束的光学棱镜组件单元[1415]；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明，
申请(专利权)人：扬州奥泰光电生物技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32