光學流量傳感器的制作方法

專利名稱：光學流量傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學流傳感器，該傳感器使來自多個光檢測器的數字化信號交叉相關，而這些光檢測器在平行于氣流的預定方向上是分開的。本發明還涉及一種確定預定方向上的氣流速度的方法。
精確的流速測量代表對氣體排放中污染物的工業和環境監視中的最大的一個問題。空氣污染的問題變得如此尖銳，而使得必須按照限制氣體排放的規定或法律來監視任何規模的工業。盡管確定氣流中污染物、雜質、有害氣體的濃度已經達到了可靠的水平，但對流速(rate)因此也是對流量的監視目前還很不準確。因此，對從任一特定設施引起的污染程度的確定迄今還是很不確定的。
目前對流速進行估計的技術通常有賴于一種侵入氣流通道如煙囪或工業處理廠煙道中的點傳感器。對于工業應用和環境應用來說，采用這種儀器來獲得流速的估計通常是不合適的。問題是，深入流動介質中的傳感器頭改變了所得的流體測量。另外，是監視的流體介質通常很臟，并且具有腐蝕性。用流體介質直接接觸傳感器頭通常會很快弄臟傳感器頭，從而使傳感器的維護成為一個主要的問題。
人們設想設計一種超聲波流量測量裝置。但是，超聲波流量測量儀價格昂貴，而且正確性不夠。
因為污染物和雜質通常使廢氣具有特定的顏色和聚集的粉塵顆粒，所以有時可以相距一定的距離用肉眼來監視煙囪和氣道，以便確定廢氣流速的總估計。但這需要直接觀望所涉及的設施。有時，有害氣體和有毒氣體，如一氧化碳是無色的。另外，用肉眼觀望無法在夜間或氣候惡劣的時候進行。不幸的是，被監視的工廠會只限制日間的廢氣排放量，而在當無法觀察廢氣排放量的夜間卻增加廢氣的排放量。
本發明采用了一種測量氣流速度的全新的方法。本發明采用一種位于氣流通道如煙囪或煙道相向側的光發射器和光接收器。光束橫向穿過氣流通道。接收器包括多個平行于氣流通過氣道的預定方向而在縱向分開的光檢測器。氣流中的顆粒物質和漩渦在通道上發送的光束中產生閃爍。
這些閃爍由位于通道相對一側上的所有光檢測器檢測，但每一光檢測器中進行的檢測不是同時發生的。然而，因為產生閃爍的顆粒或漩渦是沿氣流的下游方向行進的，所以位于最遠上游處的光檢測器將比位于稍近下游處的光檢測器在時間上較早檢測到閃爍。這一物理現象與小鳥或風中的碎片所投射的移動陰影類似。
一方面，可以將本發明看作是一種測量預定方向的氣流的速度的光學流量傳感器。本發明的光學流量傳感器由光發射器、光接收器、信號控制增益放大器電路、模一數轉換器和數字信號處理器。光學發射器在預定的氣流方向產生準直光束。光接收器包括多個接收透鏡，所有的接收透鏡都與光發射器進行光通信，且位于光束的路徑上。接收透鏡在平行于預定氣流的方向上相互分開。分開的光檢測器用于每一接收透鏡。每一光檢測器產生根據光束中出現的閃爍而變化的電輸出。
分開的信號受控增益放大器電路與每一光檢測器耦合。模數轉換器與每一增益放大器電路耦合，用來單獨地使每一來自增益放大器的輸出數字化。
數字信號處理器的耦合用來從所有的增益放大器電路接收輸入。數字信號處理器確定由所有光檢測器獨立檢測的閃爍事件的數字化輸出的時間互方差。數字信號處理器提供沿預定方向的路徑積分流速。
光發射器最好包括一個激光二極管或LED(發光二極管)，并且在接收器中僅使用兩個光檢測器。同時，光發射器最好包括一個直徑約為一英寸并且聚焦在激光二極管上的準直透鏡，而且每一接收透鏡的直徑約為二英寸，并聚焦在其光檢測器上。在本發明的一種設施例中，準直透鏡產生準直光束。
另一方面，可以將本發明看作是一個測量預定氣流方向的氣流速度的光學流量傳感器。光學流量傳感器由發射器、接收器、信號受控增益放大器、模數轉換器和數字信號處理器組成。發射器包括光源和在氣流上產生準直束的光束形成光學裝置。接收器位于光束的視線路徑上。接收器包括多個聚焦接收透鏡。接收透鏡在平行于預定氣流的方向上相互分開。每一接收透鏡有一個獨立的光檢測器。每一光檢測器產生隨視線路徑上出現的閃爍事件而變化的電輸出。每一光檢測器都具有獨立的信號受控增益放大器。獨立的模數轉換器與每一光檢測器耦合，用來將它們的輸出從模擬信號轉換成數字信號。數字信號處理器使作為閃爍事件方向之間的時延的函數而來自光檢測器的數字信號交叉相關，以產生表示沿預定氣流方向氣流的速度的信號。
再一方面，本發明可以看作是測量沿預定線性方向氣流的速度的方法。本方法的步驟包括沿與氣流的預定線性方向相交并與氣流交叉的光學視線路徑上，橫穿氣體體積發送一定量的準直光束；用多個接收閃爍檢測器接收發射光束，而接收閃爍檢測器在空間上沿平行于預定的線性方向是相互分開的；根據氣流中出現的閃爍，從每一接收閃爍檢測器產生獨立的輸出信號；獨立地使每一輸出信號放大和數字化；確定獨立的輸出信號的時間交叉相關；并根據相互分開的接收閃爍檢測器的分開距離以及獨立輸出信號的時間交叉相關，提供表示沿預定的線性方向上氣流速度的速度輸出信號。
本發明的方法最好還包括計算來自光檢測器的信號的時間平均的平均輸出幅度，重復地將時間平均的平均輸出幅度與來自光檢測器的信號幅度比較，根據相對于時間平均的平均輸出幅度的信號幅度對每一光檢測器信號產生一系列的單個二進制碼，并在確定獨立的輸出信號的時間交叉相關步驟中使用每一光檢測器的單個二進制碼系列的步驟。
最好分析來自每一光檢測器的單個二進制碼系列，以確定來自每一光檢測器的輸出信號的峰值。該信息由每一光檢測器用來確定可識別閃爍事件的檢測時間差。
在本發明的較佳設施例中，計算光檢測器輸出信號的信噪比，作為數據質量檢驗。最好還對光檢測器的輸出信號進行閾值篩選，以提高速度輸出信號的可靠性。
本發明提供了一種改進的測量流動液體的實時流速的光學系統，而沒有采用侵入流體介質的傳感器。本發明還提供了一種價格相當低廉并且很可靠的不管是日間還是夜間都無人看管的流速測量系統。
本發明的工作原理包括采用引入光源光閃爍的干擾對管道平均流速進行測量。具有圓形孔徑Dt的光源照射兩個有限圓形孔徑Dr的相鄰光檢測器接收器。在Kolmogorov干擾下，兩個接收信號CX(r)=＜η(r1+r)η(r1)＞的對數幅度閃爍的協方差函數是Cx(r)=0.132π2k2∫0LdzCn2(z)∫0∞dKK-8/3sin2[K2z(L-z)2kL]]]>×J0[KrzL]{2J1(KDrz2L)KDrz2L}2{2J1(KD12(1-zL))KDt2(1-zL)}2----(1)]]>這里，J0是零階Bessel函數，而J1是一階Bessel函數。在等式(1)中，當r=0時，路徑平均擾動密度是通過大氣傳播的光波的幅度起伏而測量得到的。工作時，擾動漩渦通過光束并對其進行調制。該光擾動由接收器單元中的檢測器接收。
傳感器計算機計算沿路徑積分的折射擾動系數Cn2。對于發射孔徑和接收孔徑相等時的情況(Dt=Dr=D)，沿路徑取平均的折射擾動系數是Cn2=4.48CX(0)D7/3L-3(2)對于不相等的發射和接收孔徑，只需要改變比例系數4.48。在等式(2)中，D和L的單位是米，而Cn2的單位是m-2/3。為了將風的影響也考慮在內，采用Taylor假設，并用|r-vt/z|來代替r。于是，等式(1)就變成為Cx(r,t)=0.132π2k2Cn2∫0Ldz∫0∞dKK-8/3sin2[K2z(L-z)2kL]]]>×J0[KrzL-Kvt](2J1(KDrz2L)KDrz2L)2{2J1(KDt2(1-zL))KDt2(1-zL)}2----(3)]]>這里，t是時延。在導出等式(3)時，假設了Cn2沿光程是均勻的。對于流速測量的情況，等式(3)給出，沿路徑平均的流速是通過光波在通過流體介質傳播時光學的幅度起伏(scintillation)運動來測量的。
工作時，擾動漩渦通過光束，并對其進行調制。該光學起伏由接收器單元外殼中的一對相鄰檢測器接收。傳感器計算機計算由該接收光學裝置對接收的信號的時間交叉相關〔等式(3)〕。隨后用等式(3)導出沿路徑積分的流速。可以用數字信號處理器(DSP)來確定時間交叉相關。為了有效地在二進制域中使用DSP，最好采用一位相關技術來得到來自兩個光檢測器的檢測信號的時延協方差函數。一位相關技術適合于進行數據處理，以檢索來自兩個檢測的光學起伏信號的流速。對于DSP編程，一位操作要比多位操作快得多，并且所需的存儲器較少。
取從兩個檢測器接收的起伏信號的協方差函數的正、負時延的差，即，Cd(r,t)=CX(r,t)-CX(r,-t)，可以去掉兩個檢測器所共同的噪聲。協方差函數差的寬度(width)反比于沿路徑取平均的流速。但是，如果按時延的對數來繪制Cd〔r,log(t)〕的圖，那么協方差函數差Cd〔r,log(t)〕的寬度是與沿路徑取平均的流速無關的。Cd〔r,log(t)〕的幅度將僅取決于信噪比，并不是流速的函數。所以，可以用曲線Cd〔r,log(t)〕的幅度或其下面的面積作為數據質量因素來表示S/N的水平。幅度或面積大，則表示S/N較好。可以用該S/N質量來進行數據質量的檢驗。
傳感器可以在現場操作中提供流速的實時連續測量。儀器對環境聲學和電磁噪聲是不敏感的。與大多數傳統的流量傳感器不同，本技術的一個主要優點是，所測得流速與溫度和壓力是無關的。所以，無論流體介質處在什么樣的環境壓力和溫度下，所測得的速度都是真實的測量值。
可以參照附圖來更清晰地描述本發明的特點。


圖1是本發明光學流體傳感器較佳實施例主要元件的示意圖。
圖2是數字信號處理器所執行的步驟的流程圖。
圖3是圖1中所示發射器的示意電路圖。
圖4是圖1所示接收器和前置放大器的示意電路圖。
圖5A是圖1中所示帶通濾波器、解調器、低通濾波器和模數轉換電路一部分的示意電路圖。
圖5B是圖1中所示帶通濾波器、解調器、低通濾波器和模數轉換電路其余部分的示意電路圖。
圖6是圖1中所示數字信號處理器的方框圖。
圖1示意描述的是一個光學流體傳感器，該傳感器用來測量垂直取向的長煙囪12中箭頭10所表示的預定線性方向的氣流速度，而煙囪12具有如約10英尺的直徑，和30英尺或更多的長度。圖1中僅畫出了煙囪12的一個較短的部分。
光學流體傳感器包括一個發射器13，發射器13有一個激光二極管或LED14，而激光二極管或LED14位于煙囪窗口11的前方，并由發射器驅動裝置16驅動。發射器13包括一個透光的準直透鏡15。接收器18位于煙囪12的壁上，徑向面對發射器13，并且包括一對接收透鏡20和22，透鏡與發射器13所產生的光束24成視線。光束24徑向跨越煙囪12的中心，與氣流10的路徑相交。光束24落到透鏡20和22上。透鏡20和22安裝在煙囪窗口21的后面，對著透鏡15，并沿平行于氣流10的預定方向相互隔開。接收透鏡20和22之間的間距最好大于透鏡20和22中每一個的直徑。
接收透鏡20和22通常分別聚焦在光檢測器D1和D2上。光檢測器D1和D2中的每一個產生對信號受控增益放大器電路的電子輸出。增益放大器電路29與光檢測器D1耦合，而增益放大器電路31與光檢測器D2耦合。
增益放大器電路29和31分別包括前置放大器30和32。前置放大器30和32分別與帶通濾波器電路34和36耦合，而帶通濾波器電路34和36接著分別與各自的解調電路38和40耦合。解調電路38和40分別與各自的低通濾波器42和44耦合，而低通濾波器42和44分別與模數轉換器電路46和48耦合。模數轉換器46和48分別使各增益放大器電路29和31的輸出數字化，并將這些數字化的輸出作為信號S1和S2輸出到數字信號處理器50。
數字信號處理器50的耦合用來接收增益放大器電路29和31的輸入，以確定光檢測器D1和D2獨立檢測的起伏事件數字化輸出的時間交叉相關性。數字化信號處理器50提供沿氣流10的預定方向的流速的路徑積分，作為風速輸出信號52。
發射器13包括發射器驅動器16。發射器驅動器16向激光二極管或LED14提供經調制信號，從而產生沿直線路徑10強度足以穿過煙囪12的氣體的光束24。發射二極管14產生光束24，而此時接收器18位于光束24的另一端。流動氣體中的擾動漩渦沿方向10穿過煙囪12，并穿過光束24。這些漩渦對光束24進行調制，使信號的光起伏能由光檢測器D1和D2接收。調制光由光檢測器D1和D2檢測，兩個光檢測器D1和D2較好的是相同的PIN發光二極管。
發射器13、接收器18和增益放大器電路29和31與本人在美國專利4,760,272；4,754,149；5,796,105；和5,838,007中所描述的很相似，這些專利在此引述供參考。
圖3是光發射器13的發射器電路16和指示驅動電路的示意圖。圖3中的元件的值見本說明書末尾處的表A。為了使環境光的影響為最小，在發射器驅動器16產生的頻率下調制發射二極管14。調制頻率應當高于起伏信號的調制頻率。在通常處于工業煙道和煙囪的情況下，起伏頻率低于幾百個赫茲。因此，調制頻率約為10kHz較合適。
如圖3所示，發射器驅動器16中的波形整形電路U1-3驅動晶體管Q1，而晶體管Q1接著向激光二極管或LED14提供驅動信號。可變電阻VR1調整晶體管Q1的直流偏壓。晶體管Q1是一個電流驅動器，而不是一個電壓驅動晶體管。晶體管Q1導通時，運算放大器U3-3動作，向與連接插座(junction plug)J2連接的發射激光二極管或LED14以及指示LED發送信號。
光檢測器D1和D2分別位于接收透鏡20和22的焦點處。來自接收透鏡20和22的兩個光信號分別由兩個光檢測器D1和D2檢測，并轉換成電信號。如圖4中示意描述的那樣，所接收的光檢測器信號在前置放大器30和32中放大。圖4中的電路元件見本說明書末尾處的表B中。運算放大器Us-4對來自光檢測器D1的信號進行放大。與此類似，運算放大器U2-4對來自光檢測器D2的信號進行放大。經放大的光檢測器輸出信號隨后分別由帶通濾波器U3-4和U4-4濾波。在光檢測器D1和D2的輸出經前置放大和濾波以后，分別輸出作為CHANNEL(信道)A和CHANNELB。
如圖5示意示出的那樣，輸出CHANNELA和CHANNELB被饋送到獨立的解調電路38和40，獨立地由芯片U1-8和U2-5解調，并且分別由運算放大器U3-5和U4-5放大。經解調和放大的信號接著分別輸入到運算放大器U7-5和U8-5，而這兩個運算放大器形成低通濾波器電路的元件。在圖5中，經濾波的輸出是信號BP1_OUT和BP2_OUT。圖5中的電路元件見本說明書末尾處的表C中。
增益放大電路29和31還在光檢測器輸出的解調和低通濾波的同時進行信號強度測量。放大器U5-5和U6-5所提供的輸出正比于來自光檢測器D1和D2的信號強度。輸出LN1_OUT和LN2_OUT分別表示來自光檢測器D1和D2的信號強度。在出現不正常的情況的時候，例如，光受到阻斷，那么閾值信號LN1_OUT或LN2_OUT中的一個或兩個的幅度將落到某些預先建立的閾值以下。這種情況隨后在數字信號處理器50中檢測。當光檢測器輸出BP1_OUT和PB2_OUT的信號強度落在數字信號處理器50設置的閾值以下的時候，數據信號BP1_OUT和BP2_OUT將被廢棄。
如圖1所示，來自光檢測器D1和D2的經解調和濾波的信號BP1_OUT和BP2_OUT將從增益放大器電路29和31發送到模數轉換器46和48。數字化形式的數據信號BP1_OUT和BP2_OUT與數字化形式的信號強度輸出LN1_OUT和LN2_OUT一起統一標記為圖1中的S1和S2。
數字信號處理器50的結構如圖6中的方框圖所示。圖2中是以流程圖的形式描述的數字信號處理器50所執行的處理步驟。圖6是以方框圖的形式描述的執行圖2中的流程圖中的步驟的數字信號處理器50的元件。數字信號處理器50的心臟是處理單元C32。圖2中的算法是在處理器芯片中執行的，而處理器芯片是處理器C32。圖6中的其他芯片支持處理器芯片C32的運行。處理器芯片C32可以是Texas Instruments Inc(德州儀器有限公司)所制造的芯片，其型號是TMS320C32。芯片FPGA是一個字段可編程門陣列，它執行處理器C32的支持功能，使之能夠進行必要的數字計算。
圖6方框圖中的所有的元件可以從各個集成電路制造商處得到。這些元件見本說明書末尾處的表D中。其他的模擬端口70和72給出速度信號V以及信噪比信號S/N輸出，由模擬裝置如筆記錄儀和其他的模擬記錄儀使用。
參見圖2，針對兩個數字化輸入信號S1和S2，執行用60和61處標示的第一步驟。在處理器芯片C32中計算來自每一光檢測器D1和D2的數字化數據信號BP1_OUT和BP2_OUT的對時間取平均的平均輸出幅度。這些平均信號用M1和M2表示。以某種離散的時間間隔，如7-10ksps對信號S1和S2中的每一個取樣，并以某一長得多的時間間隔如1秒取平均。用來確定平均信號M1和M2的信號取樣中的每一個可以代表約10,000個取樣。
接著，在步驟62和63處將每一新信號S1和S2的數據部分與中間信號M1和M2比較。隨后，如果信號S1和S2的數據部分大于各中間平均值，那么就對它們賦予一位+1值。如果它們不大于各中間平均值，那么就賦予它們一位0值。所以，每一信號S1和S2被轉換成一位數據流，即+1或0。所以，這一步驟是一個數據位轉換的步驟。
信號S1和S2的連續信號流代表二進制信號的運行流，它們每一個可以是+1或0。圖2中的步驟64代表時間交叉相關的步驟，其中，將數據位流S1(1,0)和S2(1,0)相互比較，用以找到在不同的時刻，在哪里可以檢測到匹配的起伏事件。由步驟64產生的時間差輸出在圖2中的C(t)處表示。按照前面給出的等式(3)來計算圖2中C(t)的值。
下一個執行的步驟是峰值定位，在圖2中的步驟66處示出。峰值定位步驟66包含對信號位碼S1(1,0)和S2(1,0)的交叉相關性C(t)進行分析，以確定光檢測器D1和D2的輸出信號C(t)，從而由光檢測器D1和D2中的每一個確定可識別的起伏事件的檢測時間。信號C(t)的成形或多或少像是一個鐘(bell)形曲線。信號tp是在C(t)峰值處的時延。所以，信號tp是光檢測器D1檢測到的起伏和光檢測器D2檢測到的同一起伏之間的時延。
步驟68代表是進行的算術計算，用以確定風速，即，煙囪12中沿方向10的氣流速度。由于兩個光檢測器D1和D2之間的間距是已知的，所以，計算風速V就簡單地變成了將r除以tp。
本發明系統的應用并非僅限于通過相對較窄的信道來測量氣流的速度。實際上，可以采用這些技術來測量通過很寬區域的氣流。例如，通過修改光檢測器的大小，可以用附圖中是描繪和描述的同一系統來測量飛機場跑道處的橫向風。也可以用同一技術來測量化學或藥品處理控制通過透明管的液體流。還可以有許許多多種其他的應用。
不容置疑，對于熟悉光學傳感系統的本領域技術人員來說，還可以對本發明的電路和光學元件作各種變異和修改。有幾種不同的處理器芯片可以用來代替德州儀器的芯片TMS320C32，這是因為有幾種不同的芯片可以用作FPGA芯片，以替換所描述的Altera 8282A芯片。因此，本發明的范圍并非僅限于是描繪和描述的方法特點設施例，本發明的范圍由權利要求書所限定。
表A
表B
表C
權利要求
1．一種測量沿預定的氣流方向的氣流速度的光學流量傳感器，其特征在于，它包含產生與所述氣流橫切的準直光束的光學發射器；光學接收器，它包括位于與所述光學發射器進行光通信并位于所述光束路徑中而且在沿所述預定的氣流方向并行的方向上相互分開的多個接收透鏡，用于每一所述接收透鏡而根據所述光束中出現的起伏而變化的電輸出的獨立的光學檢測器，與每一所述光學檢測器耦合的獨立的信號受控增益放大器電路；與每一所述增益放大器耦合用來獨立地使每一所述增益放大器電路的輸出數字化的獨立的模數轉換器；以及數字信號處理器，其耦合用來接收所有所述增益放大器電路的輸入，以確定所有所述光檢測器獨立檢測的起伏事件的所述數字化輸出的時間交叉相關性，并沿所述氣流的預定方向提供路徑積分的流速。
2．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述數字信號處理器還包括用來分開確定來自每一所述增益放大器電路的所述數字化輸出的平均值從而提供獨立的對時間取平均的平均值的平均值計算裝置，和耦合用于接收每一增益放大器電路和中間平均計算裝置的所述數字化輸出以提供表示所述增益放大器的所述數字化輸出與所述平均值的比較的一位數字輸出的比較器裝置。
3．如權利要求2所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述中間平均值計算裝置包括取樣裝置，用來在約為1秒的平均時間里，在約7千赫茲和約20千赫茲之間的速率下，對來自所述增益放大器電路的數字化輸出進行取樣。
4．如權利要求2所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述數字處理器還包括一個峰值確定裝置，用來確定所述增益放大器電路的所述數字化輸出中時間交叉相關性中的峰值，以及用來確定所有所述光檢測器的所述峰值之間的時間差。
5．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述發射器還包含波形整形調整器，并且每一所述增益放大器電路包括耦合用來接收一個所述光檢測器的電子輸出的前置放大器，耦合用來接收一個所述前置放大器的輸出的解調電路，耦合用來接收一個所述解調電路的輸出并連接用來向一個所述模數轉換器提供輸入的低通濾波器。
6．如權利要求5所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述光學接收器由唯一的一對所述接收透鏡和光檢測器組成。
7．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，它還包含在所述數字信號處理器中用來建立接受每一所述光檢測器的信號的最小閾值的閾值檢測裝置。
8．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述發射器包括一個激光二極管。
9．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述發射器包括一個發光二極管。
10．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述光學發射器包括一個具有直徑約為1英寸且聚焦在所述激光二極管上的準直透鏡，并且每一所述接收透鏡的直徑約為2英寸，并聚焦在所述光檢測器上。
11．如權利要求9所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述準直透鏡在一橢圓截面內產生所述準直光束，其主軸沿平行于所述預定氣流方向而取向。
12．如權利要求1所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述數字信號處理器包括一個信噪比計算裝置，所述計算裝置提供所述光檢測器的所述電子輸出中的信噪比指示。
13．一種測量沿預定的氣流方向的氣流速度的光學流量傳感器，其特征在于，它包含發射器，它包括一個光源和產生橫切所述氣流的準直光束的光束形成光學裝置，位于帶有所述光束的視線路徑內的接收器，并且包括沿平行于所述預定氣流方向而相互分開的多個聚焦接收透鏡，以及用于每一所述接收透鏡的獨立的光檢測器，所述光檢測器產生電輸出，并且所述電輸出隨所述視線路徑中出現的起伏事件而變化，用于每一所述光檢測器的獨立的信號受控增益放大器，與每一所述增益放大器耦合并用來將所述輸出從模擬信號轉換成數字信號的獨立的模數轉換器，以及數字信號處理器，用來使來自所述光檢測器的所述數字化信號交叉相關，作為起伏事件檢測之間時延的函數，以產生表示沿預定氣流方向的氣流速度的信號。
14．如權利要求13所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述數字信號處理器包括閾值檢測裝置，用以確保來自每一所述信號受控增益放大器的信號具有至少最小強度。
15．如權利要求13所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述光束形成光學裝置包括發射一準直光束的發射透鏡，并且所述光束垂直于所述預定氣流方向而對準的。
16．如權利要求13所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述發射器包括一個激光二極管，二所述光束形成光學裝置包括一個聚焦在所述激光二極管上的發射透鏡，并且所述接收器包括唯一的兩個所述光檢測器和唯一的兩個所述接收透鏡，它們中的每一個都聚焦在所述唯一的兩個所述光檢測器中的每一個上。
17．如權利要求13所述的光學流量傳感器，其特征在于，所述發射器包括一個發光二極管，而所述光束形成光學裝置包括一個聚焦在所述發光二極管上的發射透鏡，并且所述接收器包括唯一的兩個所述光檢測器和唯一的兩個所述接收透鏡，它們中的每一個都聚焦在所述唯一的兩個所述光檢測器中的獨立的一個上。
18．一種測量沿預定線性方向的氣流速度的方法，其特征在于，它包含發送一準直光束，所述準直光束沿與所述預定的氣流線性方向相交的光學視線路徑橫切一定量的氣體，并穿過所述氣流，用多個接收起伏檢測器來接收所述發射的光束，所述接收起伏檢測器在空間上沿平行于所述預定線性方向相互分開，根據所述氣流中出現的起伏，從每一所述接收起伏檢測器，產生獨立的輸出信號，獨立地放大每一所述輸出信號，并使之數字化，確定所述獨立的輸出信號的時間交叉相關性，以及根據所述接收起伏檢測器相互間的間距以及根據所述獨立的輸出信號的所述時間交叉相關性，提供表示沿所述預定的線性方向的氣流速度的速度輸出信號。
19．如權利要求18所述的方法，其特征在于，它還包含計算來自每一所述光檢測器的信號的時間平均的平均輸出幅度，重復地將所述時間平均的平均輸出幅度與來自每一所述光檢測器的信號幅度比較，并根據相對于所述時間平均的平均輸出幅度的信號幅度，產生用于每一光檢測器的信號的一系列單個位的碼，并在確定所述獨立的輸出信號的時間交叉相關性的所述步驟中，采用用于每一所述光檢測器的所述一系列單個位的碼。
20．如權利要求19所述的方法，其特征在于，它還包含，分析來自每一所述光檢測器的所述一系列的單個位的碼，以確定來自每一所述光檢測器的所述輸出信號中的峰值，從而由每一所述光檢測器確定可識別起伏事件的檢測時間。
21．如權利要求18所述的方法，其特征在于，它還包含，計算所述光檢測器的所述輸出信號的信噪比，作為數據質量檢驗。
22．如權利要求21所述的方法，其特征在于，它還包含，對所述光檢測器的所述輸出信號進行閾值篩選，以提高所述速度輸出信號的可靠性。
全文摘要
一種光學流量傳感器和測定沿預定線性方向的氣流速度的方法。傳感器包括發光裝置、光接收裝置、受信號控制的增益放大器、模數轉換器和數字信號處理器。方法包括發射準直光束、接收準直光束、產生輸出信號、放大輸出信號并使之數字化,提供速度輸出信號。
文檔編號G01F1/704GK1325020SQ01111998
公開日2001年12月5日 申請日期2001年3月30日 優先權日2000年5月19日
發明者王定一 申請人:光科學股份有限公司