CN108169514B - 水流流向传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水流流向传感器，属于传感器技术领域，包括用于感应水流流向的万向板，万向板的一侧边固连转向轴，转向轴的上部设置于机架底座上，转向轴相对所述机架底座转动连接；机架底座的上方设有支撑架，转向轴的上端依次套装第一凸轮和第二凸轮，第一凸轮左端及第二凸轮右端分别通过水平伸缩元件与支撑架相连，水平伸缩元件上设有与接收器相连的应变光栅。利用水流的冲击力使万向板由初始位置转动至与水流方向一致，万向板的旋转带动转向轴及第一凸轮、第二凸轮转动，进而引起两侧水平伸缩元件及其应变光栅的应变差，利用应变光栅测量水平伸缩元件的应变差间接测量水流流向，实现对水流方向360°的监测。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种水流流向传感器。
背景技术
海上结构在长期使用过程中，始终不断遭受海洋洋流的冲刷、海洋波浪冲击以及海洋生物滋生等因素的影响，从而出现海上结构基础动力软化、材料侵蚀老化现象，导致海上结构构件及整体抗力的衰减，影响结构的安全度和耐久度。因此，长期监测海洋洋流情况，对掌握海上结构物的性能演变，评价结构的工作状态，针对性进行合理的养修，避免各种安全事故发生，确保海上结构物的安全和提高使用年限具有重要意义，而水流流向是影响海洋施工平台安全的主要因素之一，对海洋水流流向监测将为海上结构物的正常使用提供安全保障。
流向测量是水文工作的重要内容，涉及防洪安全与管理、水资源开发与利用等多个方面。传统流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水流流向传感器，以解决现有技术中存在的传统流向测量仪器存在信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种水流流向传感器，包括用于感应水流流向的万向板，所述万向板的一侧边固连转向轴，所述转向轴的上部设置于机架底座上，所述转向轴相对所述机架底座转动连接；所述机架底座的上方设有支撑架，所述转向轴的上端依次套装第一凸轮和第二凸轮，所述第一凸轮左端及第二凸轮右端分别通过水平伸缩元件与支撑架相连，所述水平伸缩元件上设有与接收器相连的应变光栅。
进一步地，所述水平伸缩元件为应变弹簧，所述应变光栅设置在应变弹簧上能够产生应变的直线段，所述应变弹簧的一端与支撑架相连，所述应变弹簧的另一端与第一凸轮或第二凸轮的边缘相连。
进一步地，所述支撑架为π形框架，所述支撑架包括第一立柱、第二立柱和横梁，所述第一立柱和第二立柱对称设置于所述转向轴两侧，所述横梁与所述第一立柱及第二立柱的上端固连，所述第一立柱和第二立柱的下端设置于机架底座上。
进一步地，所述第一凸轮和第二凸轮设置在矩形框内，所述矩形框两端分别设有导向轴；所述第一立柱和第二立柱均包括用于与所述应变弹簧连接的外支柱和用于与所述导向轴配合的内支柱，所述内支柱上设有用于与所述导向轴配合的导向孔；所述第一凸轮的左侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连，所述第二凸轮的右侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连。
进一步地，所述第一凸轮和第二凸轮为偏心轮。
进一步地，所述第一立柱的外支柱和内支柱的下端通过第一下边框相连，所述第二立柱的外支柱和内支柱的下端通过第二下边框相连，所述第一下边框和第二下边框均与机架底座相连。
进一步地，所述转向轴上设有垫环，所述垫环分别设置第一凸轮与机架底座之间、第一凸轮与第二凸轮之间。
进一步地，所述转向轴与所述机架底座之间设有轴承。
进一步地，所述机架底座四周设有圆柱状机架护罩，所述机架护罩设置于支撑架外侧。
进一步地，所述机架护罩的顶部设有顶盖，所述顶盖中部设有用于与应变光栅相连的光纤通过的过孔。
本发明提供的水流流向传感器的有益效果在于：与现有技术相比，本发明水流流向传感器利用水流的冲击力使万向板由初始位置转动至与水流方向一致，万向板的旋转带动转向轴及第一凸轮、第二凸轮转动，转向轴转动角度不同引起两侧水平伸缩元件及其应变光栅的应变差，利用应变光栅测量水平伸缩元件的应变差间接测量水流流向，实现对水流方向360°的监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水流流向传感器的结构示意图；
图2为图1的右视图；
图3为本发明实施例提供的水流流向传感器的立体图；
图4为本发明实施例提供的水流流向传感器的内部结构示意图；
其中，图中各附图标记：
1-万向板，2-转向轴，3-轴承，4-机架底座，5-第一凸轮，6-支撑架，7- 第二凸轮，8-顶盖，9-横梁，10-机架护罩，11-键，12-垫环，13-水平伸缩元件，14-第一立柱，15-第二立柱，16-内支柱，17-外支柱，18-第一下边框，19- 第二下边框，20-矩形框，21-导向轴，22-光纤，23-接收器,24-应变光栅。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1-4，现对本发明提供的水流流向传感器进行说明。所述水流流向传感器，包括用于感应水流流向、且垂直设置的万向板1，所述万向板1 的一侧边固连转向轴2，所述转向轴2的上部设置于机架底座4上，所述转向轴2相对所述机架底座4转动连接；所述机架底座4的上方设有支撑架6，所述转向轴2的上端依次套装第一凸轮5和第二凸轮7，所述第一凸轮5左端及第二凸轮7右端分别通过水平伸缩元件13与支撑架6相连，所述水平伸缩元件 13上设有与接收器23相连的应变光栅24。利用水平伸缩元件的位移变化引起应变光栅的周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，进而通过接收器测量特征波长的移动量来测量水平伸缩元件的位移量，进而测量出转向轴的转动角度，能够快速、准确、实时的测量水流方向的变化。
本发明提供的水流流向传感器，与现有技术相比，利用水流的冲击力使万向板由初始位置转动至与水流方向一致，万向板的旋转带动转向轴及第一凸轮、第二凸轮转动，转向轴转动角度不同引起两侧水平伸缩元件及其应变光栅的应变差，利用应变光栅测量水平伸缩元件的应变差间接测量水流流向，实现对水流方向360°的监测。本发明具有结构简单、测量范围广、灵敏度高、制作成本低等优点，能够快速、准确、实时的测量水流流向的变化，可广泛用于各种水流环境中。
进一步地，参见图1，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述水平伸缩元件13为应变弹簧，所述应变光栅24设置在应变弹簧上能够产生应变的直线段，所述应变弹簧的一端与支撑架6相连，所述应变弹簧的另一端与第一凸轮5或第二凸轮7的边缘相连。转向轴的旋转带动第一凸轮和第二凸轮的转动，进而使第一凸轮及第二凸轮两侧的应变弹簧的伸缩量发生变化，应变弹簧的伸缩引起应变光栅的变化，进而可测量出水流方向的变化。
进一步地，参见图1、3、4，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述支撑架6为π形框架，所述支撑架6包括第一立柱14、第二立柱15和横梁9，所述第一立柱14和第二立柱15对称设置于所述转向轴2 两侧，所述横梁9与所述第一立柱14及第二立柱15的上端固连，所述第一立柱14和第二立柱15的下端设置于机架底座4上。利用π形框架的支撑架来固定应变弹簧，制作简单方便，安装快捷；同时利用横梁增强第一立柱和第二立柱的稳固性。
进一步地，参见图1、3，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述第一凸轮5和第二凸轮7设置在矩形框20内，所述矩形框20两端分别设有导向轴21；所述第一立柱14和第二立柱15均包括用于与所述应变弹簧连接的外支柱17和用于与所述导向轴21配合的内支柱16，所述内支柱16 上设有用于与所述导向轴21配合的导向孔；所述第一凸轮5的左侧导向轴21 穿过内支柱16与所述应变弹簧相连，所述第二凸轮7的右侧导向轴21穿过内支柱16与所述应变弹簧相连。利用矩形框对第一凸轮和第二凸轮进行限位，同时利用矩形框两侧的导向轴与内支柱配合，对导向轴进行导向，确保应变弹簧产生水平位移。矩形框两端导向轴在内支柱的过孔内水平移动，实现应变弹簧的水平伸缩，保证应变光栅的变化准确率，进而实现水流流向的精确测量。
进一步地，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，第一凸轮和第二凸轮可选用偏心轮，偏心轮更方便加工制作，矩形框则为紧贴偏心轮外圆的正方形框。
进一步地，参见图1、4，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述第一立柱14的外支柱17和内支柱16的下端通过第一下边框18 相连，所述第二立柱15的外支柱17和内支柱16的下端通过第二下边框19相连，所述第一下边框18和第二下边框19均与机架底座4相连。所述横梁与所述第一立柱14、所述第二立柱15、所述第一下边框18和所述第二下边框19 一体成型，提高了支撑架的整体强度，支撑架下端的第一下边框和第二下边框通过螺栓安装在机架底座上，更方便安装拆卸。
进一步地，参见图4，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述第一凸轮5和第二凸轮7与所述转向轴2之间通过键11连接固定。利用键连接确保第一凸轮和第二凸轮相对转向轴固定连接，能够随着转向轴的旋转而旋转。
进一步地，参见图4，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述转向轴2上设有垫环12，所述垫环12设置第一凸轮5与机架底座4 之间、第一凸轮5与第二凸轮7之间。借助垫环可以避免第一凸轮与机架底座之间、及第一凸轮与第二凸轮之间的摩擦，确保转向轴的自由旋转。
进一步地，参见图4，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述转向轴2与所述机架底座4之间设有轴承3。利用轴承减小转向轴与机架底座之间的摩擦力，确保转向轴相对机架底座转动灵活。
进一步地，参见图2、3，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述机架底座4四周设有圆柱状机架护罩10，所述机架护罩10设置于支撑架6外侧。利用机架护罩对其内部工作空间与外部环境进行隔离，使工作空间形成一个相对封闭的空间；同时对其内部各部件进行保护，保证测量的准确度。
进一步地，参见图2、3，作为本发明提供的水流流向传感器的一种具体实施方式，所述机架护罩10的顶部设有顶盖8，所述顶盖8中部设有用于与应变光栅24相连的光纤22通过的过孔。顶盖中部过孔与光纤间要确保密封良好，避免内部各部件受到干扰，保证测量精度；与应变光栅相连的光纤与接收器23 相连。
本发明的应用过程如下：工作状态时转向轴保持中心线竖直，万向板在水平面内随不定水流方向改变而旋转，万向板带动与之固定的转向轴一起旋转，待水流流向与万向板平面平行且由近轴端流向远轴端时，万向板最终将处于平衡状态不再旋转，否则将继续旋转至平衡状态；转向轴转动驱动与第一凸轮及第二凸轮连接的导向轴产生位移，导向轴的位移将使与其连接的应变弹簧产生应变，两个应变光栅通过光纤串联后再与接收器相连，粘贴在应变弹簧上的应变光栅将感知应变弹簧的应变并通过光纤传递到接收器上，两个应变光栅通过光纤串联后再与接收器相连，通过转动轴转动角度引起的上下导向轴的位移差从而可以得到万向板转动角度，从而得到水流流向。
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。
Claims (7)
1.水流流向传感器，其特征在于：包括用于感应水流流向的万向板，所述万向板的一侧边固连转向轴，所述转向轴的上部设置于机架底座上，所述转向轴相对所述机架底座转动连接；所述机架底座的上方设有支撑架，所述转向轴的上端依次套装第一凸轮和第二凸轮，所述第一凸轮左端及第二凸轮右端分别通过水平伸缩元件与所述支撑架相连，所述水平伸缩元件上设有与接收器相连的应变光栅，所述水平伸缩元件的位移变化引起所述应变光栅的周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，进而通过所述接收器测量特征波长的移动量来测量所述水平伸缩元件的位移量，进而测量出所述转向轴的转动角度；
所述水平伸缩元件为应变弹簧，所述应变光栅设置在所述应变弹簧的能够产生应变的直线段上，所述应变弹簧的一端与所述支撑架相连，所述应变弹簧的另一端与所述第一凸轮或所述第二凸轮的边缘相连；
所述支撑架为π形框架，所述支撑架包括第一立柱、第二立柱和横梁，所述第一立柱和第二立柱对称设置于所述转向轴两侧，所述横梁与所述第一立柱及所述第二立柱的上端固连，所述第一立柱和所述第二立柱的下端设置于所述机架底座上；
所述第一凸轮和第二凸轮设置在矩形框内，所述矩形框对所述第一凸轮和所述第二凸轮进行限位，所述矩形框两端分别设有导向轴；所述第一立柱和第二立柱均包括用于与所述应变弹簧连接的外支柱和用于与所述导向轴配合的内支柱，所述内支柱上设有用于与所述导向轴配合的导向孔；所述第一凸轮的左侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连，所述第二凸轮的右侧导向轴穿过内支柱与所述应变弹簧相连，所述矩形框两端的所述导向轴在所述内支柱的所述导向孔内水平移动，实现所述应变弹簧的水平伸缩。
2.如权利要求1所述的水流流向传感器，其特征在于：所述第一凸轮和第二凸轮为偏心轮。
3.如权利要求2所述的水流流向传感器，其特征在于：所述第一立柱的外支柱和内支柱的下端通过第一下边框相连，所述第二立柱的外支柱和内支柱的下端通过第二下边框相连，所述第一下边框和第二下边框均与所述机架底座相连。
4.如权利要求3所述的水流流向传感器，其特征在于：所述转向轴上设有垫环，所述垫环分别设置所述第一凸轮与所述机架底座之间、所述第一凸轮与所述第二凸轮之间。
5.如权利要求1-4任一项所述的水流流向传感器，其特征在于：所述转向轴与所述机架底座之间设有轴承。
6.如权利要求5所述的水流流向传感器，其特征在于：所述机架底座四周设有圆柱状机架护罩，所述机架护罩设置于所述支撑架外侧。
7.如权利要求6所述的水流流向传感器，其特征在于：所述机架护罩的顶部设有顶盖，所述顶盖中部设有用于与所述应变光栅相连的光纤通过的过孔。
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