CN102455234B - 薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络 - Google Patents

薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄膜型风压传感器，包括顶盖、腔体以及底盘，其中所述薄膜型风压传感器还包括圆形的气密性薄膜，所述气密性薄膜夹于所述顶盖和所述腔体之间，在所述气密性薄膜上设置有导电织物应变传感器，所述导电织物应变传感器与外部电阻测量电路连接。在所述气密性薄膜的中心区域上设置有三个导电织物应变传感器，三个所述导电织物应变传感器沿120°的夹角方向粘贴于所述气密性薄膜的内表面。本发明还构造一种无线传感网络，本发明的薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络以柔性材料为敏感元件，适用于大变形、开放环境和任意方向的高灵敏度流体压强监测。

Description

薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络
技术领域
本发明涉及压力领域，更具体地说，涉及一种基于织物的大变形、开放环境以及高敏感度的薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络。 
背景技术
目前已有的风压传感器大部分都以传统的金属作为敏感元件，采用应变片技术测量其微小变形，其灵敏度有很大的局限。风力转动叶片也多被用于测量管道内的风压。而压电薄膜技术对于恒稳的静态压强的测量效果欠佳。另外，大部分已有的传感技术只是测量固定方向的风压。综上所述，目前尚未有传感网络能够实现以柔性材料为敏感元件，适用于大变形、开放环境和任意方向的高灵敏度流体压强的监测。 
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的风压传感器灵感度低、不适合开放环境和任意方向的风压测试的缺陷，提供一种以柔性材料为敏感元件，适用于大变形、开放环境和任意方向的高灵敏度流体压强监测的薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种薄膜型风压传感器，包括顶盖、腔体以及底盘，其中所述薄膜型风压传感器还包括圆形的气密性薄膜，所述气密性薄膜夹于所述顶盖和所述腔体之间，在所述气密性薄膜上设置有导电织物应变传感器，所述导电织物应变传感器与外部电阻测量电路连接。 
在本发明的薄膜型风压传感器中，所述气密性薄膜为包括硅胶和/或聚氨酯的弹性薄膜。 
在本发明的薄膜型风压传感器中，所述气密性薄膜为透明的硅胶薄膜，所述气密性薄膜上设置有经过室温硫化的富含金红石型二氧化钛的硅胶涂层。 
在本发明的薄膜型风压传感器中，所述气密性薄膜夹于所述顶盖和所述腔体之间，并给予径向的预拉张力。 
在本发明的薄膜型风压传感器中，在所述气密性薄膜的中心区域上设置有三个导电织物应变传感器，三个所述导电织物应变传感器沿120°夹角的径向方向粘贴于所述气密性薄膜的内表面。 
在本发明的薄膜型风压传感器中，所述顶盖和所述腔体螺接，所述腔体和所述底盘螺接，所述底盘上设置有用于引出所述导电织物应变传感器的信号线的通孔。 
本发明还构造一种无线传感网络，其中所述无线传感网络包括采集压力信息的数据采集系统、显示和分析所述压力信息的远程监控系统以及包括多个如权利要求1-6所述的其中任一的薄膜型风压传感器的用于测量压力场分布的风压传感器阵列，所述薄膜型风压传感器与所述数据采集系统连接，所述数据采集系统与所述远程监控系统无线连接。 
在本发明的无线传感网络中，所述数据采集系统包括选择所述薄膜型风压传感器的矩阵寻址模块、采集所述薄膜型风压传感器的信号的采集模块以及将所述采集模块采集的信号转换为所述压力信息的转换模块。 
在本发明的无线传感网络中，所述风压传感器阵列采用垂直百叶窗的可折叠式结构。 
实施本发明的薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络，具有以下有益效果：以柔性材料为敏感元件，适用于大变形、开放环境和任意方向的高灵敏度流体压强监测。 
采用弹性薄膜使得薄膜型风压传感器的变形量大，探测的灵敏度高。涂层的设置不仅阻挡了大部分的紫外线辐射，而且同时减小了气密性薄膜的力学滞后。通过预拉张力的设置调整气密性薄膜的变形灵敏度。通过三个导电织物应变传感器的设置实现了风压方向的判断。顶盖、腔体以及底盘的连接方式便于它们之间的拆卸以及连接导电织物应变传感器的信号线的引出。风压传感器阵 列以及相应的数据采集系统实现了压力场分布的测量。风压传感器阵列的结构简单、安装方便。 
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 
图1为本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例的结构示意图； 
图2为本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例的立体结构示意图； 
图3为本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例的气密性薄膜的结构示意图； 
图4A为本发明的无线传感网络的优选实施例的侧面的结构示意图； 
图4B为本发明的无线传感网络的优选实施例的正面的结构示意图。 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。 
如图1、2所示的本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例的结构示意图中，所述薄膜型风压传感器，包括顶盖1、腔体2、底盘3以及圆形的气密性薄膜4，气密性薄膜4夹于顶盖1和腔体2之间，在气密性薄膜4上设置有导电织物应变传感器41，导电织物应变传感器41与外部电阻测量电路连接。本薄膜型风压传感器使用时，由于气密性薄膜4的边缘固定在顶盖1和腔体2之间，在任意大小和方向的流体压力作用下，气密性薄膜4向内凹陷，造成沿径向的各向异性的拉伸，使导电织物应变传感器41获得拉伸应变，通过外部电阻测量电路得到导电织物应变传感器41的电阻输出，通过电阻和压力的对应关系计算出流体压力的大小。本薄膜型风压传感器以柔性材料为敏感元件，适用于大变形、开放环境和任意方向的高灵敏度流体压强监测。 
作为本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例，气密性薄膜4为包括硅胶和/或聚氨酯的弹性薄膜。气密性薄膜4为透明的硅胶薄膜，气密性薄膜4上 设置有经过室温硫化的富含金红石型二氧化钛的硅胶涂层。气密性薄膜4夹于顶盖1和腔体2之间，并给予径向的预拉张力。采用弹性薄膜使得薄膜型风压传感器的变形量大，探测的灵敏度高。通过预拉张力的设置可调整气密性薄膜4的灵敏度。为了在室外的环境中使用时不受紫外线的损坏和影响，优化选择了透明的硅胶薄膜作为承载用的气密性薄膜4。该硅胶具有比其他同类材料更优良的抗紫外线能力。为了减少紫外线穿透该硅胶损害敏感元件，采用了经过室温硫化的富含金红石型二氧化钛的硅胶在透明硅胶表面涂层技术。富含二氧化钛的硅胶冷却后不仅阻挡了大部分的紫外线辐射，而且同时减小了薄膜的力学滞后。经过表面涂层处理的硅胶是气密性薄膜4的最佳选择。 
如图1、3所示的本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例的结构示意图中，在气密性薄膜4的中心区域上设置有三个导电织物应变传感器41，三个导电织物应变传感器41沿120°夹角的径向方向粘贴于气密性薄膜4的内表面。三个导电织物应变传感器41作为测量拉伸应变的敏感元件。在任意大小和方向的流体压力作用下，气密性薄膜4向内凹陷，造成沿径向的各向异性的拉伸，使三个敏感元件获得各不相同的拉伸应变。其输入和输出的响应可由下述方程组表示： 
R 1 ( P x , P y , P z ) R 2 ( P x , P y , P z ) R 3 ( P x , P y , P z ) ⇒ P x ( R 1 , R 2 , R 3 ) P y ( R 1 , R 2 , R 3 ) P z ( R 1 , R 2 , R 3 )
其中，Px、Py和Pz为压力沿空间3个正交方向的分量，R1、R2和R3分别为三个织物应变传感器的电阻输出。求其反函数，可通过测得的3个独立的电阻输出信号逆向得到待测的3个压力输入分量。最后将3个压力分量叠加，即得到合外力的大小和方向。另一方面，流体的压强P和对应方向上的流速v有如下的关系： 
P = 1 2 ρ v 2
其中，ρ为流体密度。若流动方向不垂直于薄膜表面，则可将流速分解为法向和切向的分量，分别对应于法向和切向的压强。这样通过三个导电织物应变传感器41的设置实现了风压方向和大小的判断。 
作为本发明的薄膜型风压传感器的优选实施例，顶盖1和腔体2螺接，腔体2和底盘3螺接，底盘3上设置有用于引出导电织物应变传感器41的信号线的通孔。导电织物应变传感器41的电阻信号通过外部电阻测量电路采集，顶盖1和腔体2采用螺钉连接，便于拆卸更换气密性薄膜4；在底盘3和腔体2连接的表面采用螺纹，便于在粘贴导电织物应变传感器41和连接导线时底盘3和腔体2的装卸。在底盘3上设置有通孔，以便引出连接外部电阻测量电路的信号线。 
本发明还涉及一种无线传感网络，作为本发明的无线传感网络的优选实施例，所述无线传感网络包括数据采集系统、远程监控系统以及风压传感器阵列，风压传感器阵列与数据采集系统连接，数据采集系统与远程监控系统无线连接。数据采集系统用于采集压力信息，远程监控系统用于显示和分析压力信息，风压传感器阵列包括多个薄膜型风压传感器，用于测量压力场分布。数据采集系统包括选择薄膜型风压传感器的矩阵寻址模块、采集薄膜型风压传感器的信号的采集模块以及将采集模块采集的信号转换为所述压力信息的转换模块。本无线传感网络使用时，对若干单一的压力传感器进行行列布置和导线连接形成风压传感器阵列，可以实现传感网络以测量压力场的空间分布。转换模块、采集模块和矩阵寻址模块组成了一个数据采集系统。矩阵寻址模块的功能是使电流在某一时刻仅选择通过其中一个压力传感器，该传感器的电压信号由采集模块采集，并通过转换模块转换为数字信息，再依次通过电桥电路的参数和输入输出关系转化为电阻值和待测的压力。该数据采集系统通过蓝牙设备等无线设备将测得的压力信息无线传输到远程监控系统，实时地显示和分析。风压传感器阵列以及相应的数据采集系统实现了压力场分布的测量，远程监控系统实现了压力场分布的远程监控和分析。 
如图4A和4B所示的本发明的无线传感网络的优选实施例的结构示意图中，风压传感器阵列采用垂直百叶窗的可折叠式结构。通过一次性组装便可使用，操作方便，保证了其使用性能。 
本发明公开了一种薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络，用于测量通过任意表面的流体压强和方向。与已有的其他风压传感器相比，本发明具有以 下方面的创新和优势：结构简单轻巧，适应性强，便于固定、安装和维护；较低的材料和生产成本；柔性敏感元件，可用于大变形；高灵敏度；同时测量流体压强的大小和方向；敏感元件位于腔体2内部，不易受外界环境的干扰和损害，从而增加其可靠性、稳定性和使用寿命；适用于开放环境下风压或其他流体压强的直接测量；二氧化钛硅胶涂层技术保证其抗紫外线能力；通过多个单一薄膜型风压传感器的组装和无线数据传输系统，实现了任意面积、实时显示的无线传感网络技术。 
本发明的薄膜型风压传感器及相应的无线传感网络开发了一个没有距离限制和环境局限的定量的二维压力遥感网络，与传统的电阻型传感网络相比，该系统具有更低的串扰误差和更高的动态压强测量范围，适用工业测量、科学研究以及日常生活的各个领域，尤其是建筑物维护、体育运动场馆、矿场通风、公共场所通风、气候测量等开放式环境的风压测量。其潜在应用包括所有流体流场的测量。 
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (6)

1.一种薄膜型风压传感器，包括顶盖（1）、腔体（2）以及底盘（3），其特征在于，所述薄膜型风压传感器还包括圆形的气密性薄膜（4），所述气密性薄膜（4）夹于所述顶盖（1）和所述腔体（2）之间，在所述气密性薄膜（4）上设置有导电织物应变传感器（41），所述导电织物应变传感器（41）与外部电阻测量电路连接； 
在所述气密性薄膜（4）的中心区域上设置有三个导电织物应变传感器（41），三个所述导电织物应变传感器（41）沿120°夹角的径向方向粘贴于所述气密性薄膜（4）的内表面; 
所述气密性薄膜（4）夹于所述顶盖（1）和所述腔体（2）之间，并给予径向的预拉张力； 
所述气密性薄膜（4）为包括硅胶和/或聚氨酯的弹性薄膜。 
2.根据权利要求1所述的薄膜型风压传感器，其特征在于，所述气密性薄膜（4）为透明的硅胶薄膜，所述气密性薄膜（4）上设置有经过室温硫化的富含金红石型二氧化钛的硅胶涂层。 
3.根据权利要求1所述的薄膜型风压传感器，其特征在于，所述顶盖（1）和所述腔体（2）螺接，所述腔体（2）和所述底盘（3）螺接，所述底盘（3）上设置有引出所述导电织物应变传感器（41）的信号线的通孔。 
4.一种无线传感网络，其特征在于，所述无线传感网络包括采集压力信息的数据采集系统、显示和分析所述压力信息的远程监控系统以及包括多个如权利要求1-3所述的其中任一的薄膜型风压传感器的用于测量压力场分布的风压传感器阵列，所述风压传感器阵列与所述数据采集系统连接，所述数据采集系统与所述远程监控系统无线连接。 
5.根据权利要求4所述的无线传感网络，其特征在于，所述数据采集系统包括选择所述薄膜型风压传感器的矩阵寻址模块、采集所述薄膜型风压传感器的信号的采集模块以及将所述采集模块采集的信号转换为所述压力信息的转换模块。 
6.根据权利要求5所述的无线传感网络，其特征在于，所述风压传感器阵列采用垂直百叶窗的可折叠式结构。 
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