一种基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置转让专利
申请号 : CN202110176869.1
文献号 : CN112964901B
文献日 : 2022-03-29
发明人 : 陈致蓬 , 桂卫华 , 阳春华
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置,其特征在于,所述基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置包括太赫兹回波采集模块和与所述太赫兹回波采集模块连接的信号处理模块,其中:
所述太赫兹回波采集模块,用于生成源信号与参考信号,并检测所述源信号经流体发射的太赫兹回波,其中所述太赫兹回波采集模块包括QCL发射源、QWP回波探测器、源前置放大器和锁相放大器,其中:
所述QCL发射源,用于采用QCL发射源生成源信号与参考信号;
所述QWP回波探测器,用于采用QWP回波探测器检测所述源信号经流体发射的太赫兹回波;
所述源前置放大器,用于对所述太赫兹回波进行放大;
所述锁相放大器,用于根据放大后的太赫兹回波,获得太赫兹回波时域谱亮度以及根据参考信号,获得参考信号时域谱亮度;
所述信号处理模块,用于根据所述太赫兹回波和参考信号,获得流体流速,其中所述信号处理模块具体包括太赫兹回波实时分析与处理单元,且所述太赫兹回波实时分析与处理单元包括时域谱亮度偏差值获取子单元,以及与所述时域谱亮度偏差值获取子单元依次连接的模型建立子单元和流速计算子单元,其中:所述时域谱亮度偏差值获取子单元,用于根据所述太赫兹回波和参考信号,获得时域谱亮度偏差值;
所述模型建立子单元,用于根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同,建立时域谱亮度偏差‑流速关系模型,其中所述模型建立子单元采用Akima样条插值法,对输入数据和输出数据进行拟合,从而建立时域谱亮度偏差‑流速关系模型,其中所述输入数据为标定的回波的时域谱亮度偏差值,所述输出数据为与所述时域谱亮度偏差值对应的目标流体的流速值;
所述流速计算子单元,用于根据所述时域谱亮度偏差‑流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差值,获得流体流速;
所述基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置还包括太赫兹回波定位模块与伺服云台,其中:
所述太赫兹回波定位模块,用于通过所述伺服云台对基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置进行定位,使其正对目标流体,其中所述太赫兹回波定位模块包括流形检测单元、与所述流形检测单元依次连接的相机定位单元和云台伺服单元,其中:所述流形检测单元,用于对相机获取的流体图像进行图像处理,获得流体边缘图像;
所述相机定位单元,用于使用重心法计算所述流体边缘图像的重心并将所述流体边缘图像的重心与相机图像的重心作差,获取图像偏差矢量;
所述云台伺服单元,用于根据所述图像偏差矢量,采用PID控制算法控制伺服云台,控制所述伺服云台使得所述太赫兹回波流速检测装置正对目标流体;
所述基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置还包括包围所述流体流速测量装置的防尘隔热外罩和固定所述流体流速测量装置的三角支架,其中所述防尘隔热外罩,采用不锈钢外壳加隔热涂层的双层外罩结构,且所述基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置具体为基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量仪。
说明书 :
一种基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量装置
技术领域
背景技术
观经典理论向微观量子理论的过渡区域。在电磁频谱上,太赫兹波段两侧的红外和微波技
术已经十分成熟,但出于过渡谱段的太赫兹波技术还不够完善,主要是因为此频段既不完
全适合用光学理论来处理,也不完全适合用微波理论来研究,形成了所说的“太赫兹空隙”。
但是太赫兹波具有红外与微波难以对比的特性,其具有穿透纸张、塑料和陶瓷等包装材料,
光子能量低,对生物体无辐射损害,并且作为载波具有比微波更高的带宽,因此太赫兹波在
安检、成像、医学诊断、材料分析和高速无线通讯等领域具有重要的应用需求。此外,太赫兹
波对于流体的穿透能力低、部分能量被流体吸收、流体流速变化时吸收的能量具有一定规
律,使得利用太赫兹波的特性来设计与研发具有实用价值的太赫兹回波流速测量仪成为可
能。
而直接测量方式又可分为接触式测量与非接触式测量两种测量方法,接触式检测设备以经
典流速流量仪为代表,通过将流速检测装置置入待测流体中,通过流体的运动带动检测装
置发生运动,再由传感器检测装置变化进而获取流速值,接触式方法具有检测精度高、响应
时间短、使用寿命长等特点,但其在测量具有杂质、高温、高腐蚀性的流体时,会因检测装置
物理结构发生变化而导致使用寿命大幅降低,不适用于特种环境的流体流速检测;非接触
式测速方法是一种以视觉特征检测与分析为基础的流体流速测量方法,其具有使用寿命
长、抗环境干扰能力强等优点,但是相较于流速流量仪具有响应时间相对较长、检测精度达
不到接触式检测设备的水平的缺陷,只适用于特种环境、响应时间相对较低的条件下。近年
来,随着通讯领域在太赫兹(THz)波段方面的研究不断加深,一些研究发现,太赫兹信号在
不同流速的流体处产生的回波信号具有一定的变化规律,故可借助太赫兹信号被不同流速
的流体吸收的能量具有差异的特点,将太赫兹信号应用于流速检测领域。
件、外部压板和传感器外壳等四个部分,仿生侧线传感器与控制器通过机械设备相连接,当
外部流作用于纤毛壳斗的顶端时,纤毛壳斗将产生机械形变,并传递给IPMC感知组件,IPMC
感知组件根据机械形变产生两个感应电压,分别作为x轴与y轴流速分量,进而确定流体的
最终的流速和流向,其特点是在降低结构复杂度和成本的基础上,实现了二维流速测量。然
而其纤毛壳斗的形变检测只适应于纯净、无杂质的流体中,是一种接触式测量设备,无法满
足具有杂物易干扰、腐蚀性、高温流体如高温铁水、高温铜水的检测。
左端的夹持机构和右端的夹持机构之间的耳板之间固定连接有固定螺栓,从而可通过夹持
机构将传感器主体位置进行固定,能够达到传感器主体安装稳定的效果,能有效地避免水
流冲击、水中掺杂的颗粒、杂物等进入到水流量传感器造成测量偏差的问题,适用于流体中
具有杂质、杂物的非纯净水流的流速检测中,但其也具有一定的局限性,不能适用于腐蚀性
或高温流体的检测中。
发明内容
元依次连接的模型建立子单元和流速计算子单元,其中:
差值,输出数据为与时域谱亮度偏差值对应的目标流体的流速值。
块,其中太赫兹回波采集模块,用于生成源信号与参考信号,并检测源信号经流体发射的太
赫兹回波,信号处理模块,用于根据太赫兹回波和参考信号,获得流体流速,解决了现有非
接触式流体流速装置在复杂恶劣环境下对流体流速检测精度低的技术问题,巧妙利用太赫
兹波穿透性强的特点,在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号,从而对被测流体流速进
行精确测量,同时具有非接触的特点,这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。
附图说明
块;M23:信号处理模块;M24:上位机。
具体实施方式
成源信号与参考信号,并检测源信号经流体发射的太赫兹回波,信号处理模块,用于根据太
赫兹回波和参考信号,获得流体流速,解决了现有非接触式流体流速装置在复杂恶劣环境
下对流体流速检测精度低的技术问题,巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点,在保证复杂环
境中还能接受到太赫兹信号,从而对被测流体流速进行精确测量,同时具有非接触的特点,
这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。
元依次连接的模型建立子单元和流速计算子单元,其中:
差值,输出数据为与时域谱亮度偏差值对应的目标流体M11的流速值。
个部分组成,各个部分的功能描述如下:
层,可有效降低高温辐射检测设备造成过高的设备温度,另外在设备前端探测口处设计为
设备出风口,加上设备外侧可通入工业冷却气体,可在设备内部产生冷却风路,有效地降低
检测与处理模块处理过程中产生的高温。
的检测图像,并借助流形检测、相机定位与云台伺服等模块定位太赫兹检测设备正对待测
流体,太赫兹回波采集模块M22用于产生与检测太赫兹波,使用QCL发射源M20产生源信号、
QWP接收太赫兹回波信号,以产生与接收稳定、可检测的太赫兹波信号,信号处理模块M23获
取伺服定位图像计算并控制云台进行待测流体伺服定位、接收太赫兹波信号并进行计算以
获得太赫兹时域谱亮度偏差值、根据内置“时域谱亮度偏差‑流速”关系模型计算目标流体
M11流速实时值,并将检测获取的流速值与调整后的设备姿态信息通过以太网或蓝牙传输
至上位机M24。根据以上三个模块即可完成基于太赫兹高速回波效应的任意流体流速测量
的任务。
角与俯仰角达到太赫兹回波流速检测核心设备M14正对目标流体M11的效果。
提取灰度图像边缘序列,提取后的边缘序列作为相机定位的输入,并使用重心法计算灰度
边缘图像的重心,之后与相机图像重心作差后获取图像偏差矢量,以作为云台伺服的误差
输入信号,使用PID控制器计算控制矢量U并输入至云台伺服系统,产生偏移后重新计算图
像重心,直至图像偏差矢量E满足设置要求,此时太赫兹回波流速检测设备正对目标流体
M11。
谱亮度值。如图4所示,太赫兹回波采集模块M22的工作流程如下:
用于生成太可检测的太赫兹波,后者用于在分析与提取太赫兹回波时域谱亮度偏差时的基
准信号;
的原理,太赫兹波反射并按照原路再次汇聚、传输而形成回波;
并在外加偏压下形成光电流,从而实现对太赫兹回波的探测;
测与云台伺服模块、太赫兹回波实时分析与处理模块中进行分析与计算:
伺服云台M15处进行偏向角与俯仰角的校正,校正后再经过太赫兹回波定位模块M21进行检
测;
获取实时流速值,本模块预先建立了太赫兹回波时域谱亮度偏差‑流速关系模型,以标定的
回波时域谱亮度偏差值作为关系模型输入数据,目标流体M11的流速值作为关系模型的输
出,再使用Akima样条插值法进行输入输出数据拟合,拟合后的模型及参数作为预设值存储
在处理模块的内存中,当获取一个太赫兹回波时域谱亮度偏差值时,便可迅速计算出对应
的实时流速值。
成源信号与参考信号,并检测源信号经流体发射的太赫兹回波,信号处理模块,用于根据太
赫兹回波和参考信号,获得流体流速,解决了现有非接触式流体流速装置在复杂恶劣环境
下对流体流速检测精度低的技术问题,巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点,在保证复杂环
境中还能接受到太赫兹信号,从而对被测流体流速进行精确测量,同时具有非接触的特点,
这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。
测流体的流速检测精度。
修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要
求范围当中。