CN101776696A - 一种三维流速传感器 - Google Patents

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本发明公开了一种三维流速传感器，其特征是具有：一水平力测量单元，是以同轴且间隔的外环体和内环体构成水平力传力机构，外环体与内环体之间是以成轴对称设置的两组弹性梁相连接，以各弹性梁为水平力传感单元；一垂直力测量单元，是以位于内环体的中心区域的中心平板为垂直力传力机构，中心平板与内环体为同轴、间隙设置；一沿径向设置的固定支撑架。本发明结构简单、工作可靠，可实现三维流速的测量。

Description

一种三维流速传感器
技术领域
本发明涉及流体的流速测量，特别涉及流体的三维流速测量的传感技术。
背景技术
流速是流体的一个重要基本参数，流速测量一直备受关注，如海洋流场的实时监测和测量是海洋科学考察的重要内容，海洋水体的运动是和引起全球气候反常的厄尔尼诺等现象密切联系的，实时监测海流变化，可以对气候进行及时预测，提出防范规则。
在海洋、河流和大气层中，液体和气体流体的流速往往以三维矢量的形式呈现，并且各维间流速分量的大小也往往存在较大差异，如海洋中上升流的流速大小有时甚至是水平流的百分之一或千分之一。然而，虽然流速测量仪器种类繁多，各具特色，应用于不同的流速测量中；但是目前的毕托管式差压流速传感器、机械式转子流速传感器、电磁式流速传感器、热式流速传感器、多普勒声学流速传感器以及PIV粒子成像测速仪等，或测量精度难以提高，或存在转动部件，或难以满足三维流速的测量，或成本较高价格昂贵，或对工作环境有特殊要求；对于较小流速的测量，目前还缺少较好的办法，现有的两种主要方式是：通过投放电解质后观察水流中电解质低阻带来获得流速的大小和方向的充电法、通过投放放射性同位素后测量放射性探测器的计数获得流速的大小和方向的同位素示踪法，这两种方法均存在操作不变，精度不高的问题，对各维间流速分量大小存在较大差异的三维流速测量更是难以胜任。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的局限，提供一种结构简单、工作可靠的三维流速传感器。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明三维流速传感器，其结构特点是具有：
一水平力测量单元，是以同轴且间隔的外环体(1)和内环体(2)构成水平力传力机构，所述外环体(1)与内环体(2)之间是以成轴对称设置的两组弹性梁相连接，所述各弹性梁(3)的布置为：相邻两只弹性梁(3)之间互相垂直，相对两只弹性梁(3)之间为共面或互相平行，以所述各弹性梁(3)为水平力传感单元；
一垂直力测量单元，是以位于内环体(2)的中心区域的中心平板(4)为垂直力传力机构，所述中心平板(4)与所述内环体(2)为同轴、间隙设置；所述中心平板(4)的装配形式为：
在其两侧以轴对称设置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述内环体(2)对应位置上的耳孔中相互配合，以所述耳梁(5)为垂直力传感单元；
或：在其一侧，沿径向固定设置支撑杆(6)，所述支撑杆(6)依次穿过对应位置上的内环体1的侧孔以及对应位置上的外环体2的侧孔伸出，以伸出的支撑杆(6)外接力测量传感器；
一沿径向设置的一端与内环体(2)连接的固定支撑架(7)，所述固定支撑架(7)为实心体或空心结构，所述空心结构的固定支撑架(7)的内孔与支撑杆(6)间隙配合，所述固定支撑架(7)穿过对应位置上的外环体(1)的侧孔伸出。
本发明三维流速传感器的结构特点也在于所述设置在外环体(1)与内环体(2)之间的弹性梁(3)是以垂直于外环体(1)径线方向上的各辅助梁(8)与外环体(1)相连接。
本发明三维流速传感器的结构特点也在于在所述外环体(1)与内环体(2)之间，以同轴且间隔的形式设置中环体(9)，以两组弹性梁中的一组连接在外环体(1)与中环体(9)之间，另一组连接在中环体(9)与内环体(2)之间。
与已有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明外环体、内环体和中心平板较好地构筑在一起，结构简单。
2、本发明外环体接受垂直于其轴线的平面上的流体绕流阻力，中心平板接受外环体轴线方向上的流体绕流阻力或升力，可实现三维流速的测量。
3、本发明水平力测量单元和垂直力测量单元相互分开，若通过力放大机构与位移或力测量系统相接，便可以满足维间流速相差较大的流速测量，保证小流速的高精度的测量。
4、本发明各维方向上的流速测量，均无运动部件，无磨损，工作可靠，使用寿命较长。
5、本发明外环体和内环体之间的各组弹性梁的布置方式，可以使得各弹性梁的维间耦合较小，较好地获得垂直于外环体轴线的平面方向上的流速的大小和方向；中心平板和环状体间的位置关系，使得根据中心平板所受到的流体绕流阻力或升力，以及垂直于环状外壳轴线的平面方向上的流速，便可以求出沿环状外壳轴线方向上的流速，从而获得三维流速，流速测量的计算方法简单。
6、本发明可以通过较好地选择目前已有的力或位移敏感元件或传感器，从而降低成本，提高精度，满足水下或空气环境中的使用要求。
附图说明
图1为本发明的外环体和内环体之间的两组弹性梁成轴对称设置，相邻垂直、相对共面，通过辅助梁与外环体连接，中心平板和内环体之间直接通过耳梁连接的结构示意图。
图2为图1的过轴线且经过耳梁的纵向剖视图。
图3为本发明的中心平板通过支撑杆外接垂直力测量传感器的结构示意图。
图4为图3支撑杆部分的剖视图。
图5为本发明的外环体和内环体之间的两组弹性梁成轴对称设置，且相邻垂直，相对共面，通过中间体连接的结构示意图。
图6为本发明的外环体和内环体之间的两组弹性梁成轴对称设置，且相邻垂直，相对平行，通过中间体连接的结构示意图。
图中标号：1外环体、2内环体、3弹性梁、4中心平板、5耳梁、6支撑杆、7固定支撑架、8辅助梁、9中环体。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方法
如图1、图2、图3、图4、5和图6，本实施例具有由外环体1、内环体2和两组弹性梁构成的水平力测量单元，外环体1和内环体2同轴且间隔的构成水平力传力机构，两组弹性梁3成轴对称设置在外环体1与内环体2之间，各弹性梁3的布置为：相邻两只弹性梁3之间互相垂直，相对两只弹性梁3之间为共面或互相平行，各弹性梁3为水平力传感单元。
本实施例中还具有由中心平板4构成的传力机构，中心平板4位于内环体2的中心区域，并与内环体2同轴；中心平板4的装配有两种形式，一种是在中心平板4的两侧以轴对称设置耳梁(5)，以耳梁5插入在所述内环体2对应位置上的耳孔中，以耳梁5为垂直力传感单元；另一种是在中心平板4的一侧，沿径向固定设置支撑杆6，支撑杆6依次穿过对应位置上的内环体的侧孔以及对应位置上的外环体的侧孔伸出，以伸出的支撑杆6外接力测量传感器，获得垂直力信息。
本实施例中，设置一沿径向设置的一端与内环体2连接的固定支撑架7，固定支撑架7为实心体或空心结构。
如图4所示，当中心平板与支撑杆6连接时，空心结构的固定支撑架7的内孔与支撑杆6间隙配合，固定支撑架7穿过对应位置上的外环体1的侧孔伸出，以供安装三维流速传感器。
如图1和图3所示，设置在外环体1与内环体2之间的弹性梁3是以垂直于外环体1径线方向上的各辅助梁8与外环体1相连接。
如图5和图6所示，外环体1与内环体2之间，以同轴且间隔的形式设置中环体9，以两组弹性梁中的一组连接在外环体1与中环体9之间，另一组连接在中环体9与内环体2之间。
将外环体1的轴线与重力方向保持一致，放置在待测的流体中，外环体1便受到流体的水平方向流速产生的绕流阻力作用，则分布在外环体1和内环体2之间的两组弹性梁3便会受到外环体1或中环体9传递来的水平方向上的绕流阻力，各弹性梁3在弯矩作用下，会产生相应的应变和变形(拉压应变和变形可以忽略)，由于两组弹性梁3互相垂直布置，且通过抗弯能力较小的辅助梁8或通过中环体9相连，所以两组弹性梁3在测量水平面中的两个互相垂直方向上的力时，可以保证耦合较小。利用两组弹性梁3的弯曲应变或位移，再根据流体绕流阻力的理论、模拟数值计算和实验标定就能求得垂直于外环体1轴线的平面方向上的两个互相垂直方向上的流速；同样中心平板4也受到流体的作用，在流体垂直流速产生的绕流阻力作用下或在水平流速产生的上升力作用下，中心平板4受到垂直方向的力作用，直接传递到耳梁5上，或通过支撑杆6传递给外部的力测量传感器，根据耳梁5在弯矩作用下产生的应变或位移，或力测量传感器上的力信息，便可以获得中心平板4所受到的沿其轴线方向上的绕流阻力或升力，再根据流体绕流阻力的理论、模拟数值计算和实验标定，并结合垂直于外环体1轴线的平面方向上的流速，便能够求得沿外环体1轴线方向的流速。中心平板4和外环体1、内环体2不相连，相互之间没有力的传递，没有力的耦合关系，中心平板4可以通过支撑杆6与外部力测量传感器连接，便于更好地提高垂直方向力的测量精度，从而更好的满足垂直流速和水平流速相差较大的三维流速测量要求。
两组弹性梁3和与中心平板4直接连接的耳梁5，可以是通常的弹性体梁，也可以是基于MEMS技术制作的弹性体梁；弹性梁应变量的获得可以采用通常的应变片，也可以采用其它力敏电阻、力敏电容、压电材料和力敏光纤等。弹性梁位移量的获得可以采用电容、电感和光纤等位移传感器。

Claims (3)

1.一种三维流速传感器，其特征是具有：
一水平力测量单元，是以同轴且间隔的外环体(1)和内环体(2)构成水平力传力机构，所述外环体(1)与内环体(2)之间是以成轴对称设置的两组弹性梁相连接，所述各弹性梁(3)的布置为：相邻两只弹性梁(3)之间互相垂直，相对两只弹性梁(3)之间为共面或互相平行，以所述各弹性梁(3)为水平力传感单元；
一垂直力测量单元，是以位于内环体(2)的中心区域的中心平板(4)为垂直力传力机构，所述中心平板(4)与所述内环体(2)为同轴、间隙设置；所述中心平板(4)的装配形式为：
在其两侧以轴对称设置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述内环体(2)对应位置上的耳孔中相互配合，以所述耳梁(5)为垂直力传感单元；
或：在其一侧，沿径向固定设置支撑杆(6)，所述支撑杆(6)依次穿过对应位置上的内环体1的侧孔以及对应位置上的外环体2的侧孔伸出，以伸出的支撑杆(6)外接力测量传感器；
一沿径向设置的一端与内环体(2)连接的固定支撑架(7)，所述固定支撑架(7)为实心体或空心结构，所述空心结构的固定支撑架(7)的内孔与支撑杆(6)间隙配合，所述固定支撑架(7)穿过对应位置上的外环体(1)的侧孔伸出。
2.根据权利要求1所述的三维流速传感器，其特征是所述设置在外环体(1)与内环体(2)之间的弹性梁(3)是以垂直于外环体(1)径线方向上的各辅助梁(8)与外环体(1)相连接。
3.根据权利要求1所述的三维流速传感器，其特征是在所述外环体(1)与内环体(2)之间，以同轴且间隔的形式设置中环体(9)，以两组弹性梁中的一组连接在外环体(1)与中环体(9)之间，另一组连接在中环体(9)与内环体(2)之间。
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