CN102507077A - 一种多功能风压计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能风压计，包括核心部分和外壳部分，其特征在于：所述核心部分包括固定支座，第一悬臂梁式膜片、第二悬臂梁式膜片、第三悬臂梁式膜片分别垂直固定于固定支座的下表面、上表面和右端侧面，第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器粘贴于第一悬臂梁式膜片的两侧对称位置；第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器粘贴于第二悬臂梁式膜片的两侧对称位置；第五光纤光栅传感器和第六光纤光栅传感器粘贴于第三悬臂梁式膜片的两侧对称位置。本发明的多功能风压计不仅能够满足结构物短期测试的需要，还能达到结构物长期监测的要求；同时具有携带方便、可拆卸、安装维护方便等优点。

Description

一种多功能风压计

技术领域

本发明涉及一种新型风压计，尤其适用于在野外对大型建筑工程结构所处的风环境和受到的风荷载进行测试与试验，主要应用于土木结构风工程领域。

背景技术

风灾是自然灾害中发生最频繁的一种。上世纪80年代，德意志联邦共和国慕尼黑保险公司对西方发达国家损失1亿美元以上的自然灾害统计结果表明，风灾发生的频率高，次生灾害大，其中风灾的次数占自然灾害总次数的51.4％，经济损失占自然灾害总损失的40.5％。我国当前正处于土木工程建设的蓬勃发展阶段，大量新型复杂结构体系不断出现，具有代表性的是苏通大桥、润扬大桥等特大型桥梁结构，它们完全体现着现代化大桥长、高、轻、柔的结构特点，风致破坏是这些结构的主要破坏形式，工程抗风结构设计的合理与否是保障工程安全的关键，这使得结构风工程研究成为热点。在结构风工程研究当中，风特性问题是基础性问题，由于风特性受地貌和地理位置等因素影响大，使得风特性的现场观测成为掌握结构物所在地风特性的主要研究方法之一，尤其是针对结构物所在地的强风特性(包括风压、风速和风向等)所进行的现场观测，其价值更大。我国各级政府对气象灾害防御工作相当重视，江苏省南京市于2009年12月1日起施行的《南京市气象灾害防御管理办法》中明确指出，大型桥梁、大跨度和高层建筑物、户外大型广告牌等设施，在建设前应当进行风压评估，而且建成后须进行现场风压测试。

现有的风压计多是采用皮托管来测量风压与风速，皮托管测风压虽然有耐高温的特点，但是皮托管式风压计在潮湿气候环境下容易导致管内积水从而使得测量值偏小，长期置于粉尘浓度较高的环境中监测易引起皮托管堵塞。另一方面，传统风压计不适合安装于各类型工程结构物表面对结构物所处实际风环境进行长期有效监测。

为了适应不同野外环境和恶劣气象条件下的测试要求，选用钛合金悬臂梁式膜片结合光纤光栅传感器作为感知元件是有效途径之一。结构物表面的风压直接作用于风压传感器的悬臂梁式膜片上，使膜片产生与风压成正比的弯曲位移，即风压越大，膜片弯曲位移越大。通过粘贴于悬臂梁式膜片上的光纤光栅传感器检测这一变化即可得出风压的大小。钛合金材料的使用使得该风压计具有很强的防腐蚀性能与抗疲劳性能，光纤光栅传感器的使用使得该风压计具有高分辨率、高精确度、高稳定性、高耐久性，同时能够适应强电磁干扰和潮湿环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型多功能风压计，可以满足不同工程结构以及不同测试部位对风压的测量要求，能准确地测得工程结构物所在地的实际风特性；

本发明所要解决的另一个技术问题是所提供的风压计不仅能够测量不同结构以及结构不同部位的风压，还能够测量出风攻角，且具有安装/拆卸简单、携带方便等优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种多功能风压计，包括核心部分和外壳部分，其特征在于：所述核心部分包括固定支座，第一悬臂梁式膜片、第二悬臂梁式膜片、第三悬臂梁式膜片分别垂直固定于固定支座的下表面、上表面和右端侧面，第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器粘贴于第一悬臂梁式膜片的两侧对称位置；第三光纤光栅传感器和第四光纤光栅传感器粘贴于第二悬臂梁式膜片的两侧对称位置；第五光纤光栅传感器和第六光纤光栅传感器粘贴于第三悬臂梁式膜片的两侧对称位置。

固定支座左端与外壳部分的底板垂直焊接连接。通过测量臂梁式膜片的弯曲变形即可得出测点的风压和风攻角。通过在悬臂梁式膜片两侧对称粘贴光纤光栅传感器，可方便地测量出测点的风压并判断出风压的方向，同时能有效消除温度对光纤光栅传感器的影响。结合竖直向悬臂梁式膜片和水平向悬臂梁式膜片还能测量出风的攻角。采用光纤光栅传感器作为传感元件，可使风压计的测量精度高、稳定性好、耐久性好、抗电磁干扰、能够适应高温和潮湿环境。另外，本发明采用悬臂梁式膜片，结构简单，易于批量加工生产。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述外壳部分包括带大面积平面高强度金属底座的便携式U型外壳，底板通过螺栓与U型外壳的两翼连接，护罩通过螺栓与底板连接，固定支座垂直固定连接在底板上。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述护罩为不锈钢网状球面，可有效保护核心部分，同时能够方便的拆卸而对核心部分进行维护。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述底板为圆盘形，圆盘形底面带漏水小孔，可方便的对核心部分的受风角度进行调节。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述漏水小孔位于底板的圆盘形底边缘。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述底板的材料为不锈钢。

前述的多功能风压计，其特征在于：照明设备固定于底座和底板之间的U型外壳内侧。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述U型外壳的底座同时具有磁性和螺栓锚固两种连接方式与待测结构的表面固定，既可以安置在工程结构物的混凝土材料或钢材的表面以满足长期测量需求，又能够安装在支架上适应短期测量要求。

护罩、底板、照明设备和漏水小孔。其中底座采用强磁性材料，同时具有磁性和螺栓锚固两种连接方式，既可以安置在工程结构物的混凝土材料或钢材的表面以满足长期测量需求，又能够安装在支架上适应短期测量要求；护罩为不锈钢网状球面，通过螺栓与底板连接，可有效保护核心部分，同时能够方便的拆卸而对核心部分进行维护；底板为圆形开口、圆形底面并带漏水小孔的不锈钢结构，通过螺栓与U型外壳的两翼连接，可方便的对核心部分的受风角度进行调节；照明设备固定于底座和底板之间的U型外壳内侧，可满足对测试点进行照明的要求，亮度可以通过支座上的照明灯旋钮式开关进行调节以满足实际环境需要。

前述的多功能风压计，其特征在于：所述第一悬臂梁式膜片、第二悬臂梁式膜片和第三悬臂梁式膜片的材质为钛合金，可避免膜片在强风作用下发生塑性变形甚至疲劳破坏，同时具有抗腐蚀性能和良好的耐久性能。

下面对本发明的工作原理做进一步详细的说明：

当风攻角向上时，在风力作用下第一悬臂梁式膜片和第三悬臂梁式膜片产生弯曲位移；当风攻角向下时，在风力作用下第二悬臂梁式膜片和第三悬臂梁式膜片产生弯曲位移。粘贴于悬臂梁式膜片上的光纤光栅传感器由于悬臂梁式膜片的弯曲位移而产生应变。通过测量光纤光栅传感器的应变即可计算出测点的风压和风攻角。利用同一悬臂梁式膜片两侧的光纤光栅传感器的测量值可有效消除温度的影响。具体计算公式如下：

设第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、第四光纤光栅传感器、第五光纤光栅传感器和第六光纤光栅传感器的应变分别为ε₁、ε₂、ε₃、ε₄、ε₅和ε₆；第一悬臂梁式膜片、第二悬臂梁式膜片和第三悬臂梁式膜片的弯曲位移分别为L₁、L₂和L₃；第一悬臂梁式膜片、第二悬臂梁式膜片和第三悬臂梁式膜片由于弯曲产生的应变绝对值为E₁、E₂和E₃；攻角为θ，向上为正；结构物表面风压为P。

当ε₅＞ε₆时，表明风攻角向上，采用第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第五光纤光栅传感器和第六光纤光栅传感器的测量值进行计算。当ε₂＞ε₁时为正风压，反之为负风压。具体计算公式为：

$E_1=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1}{2}\right|---\left(1\right)$

$E_3=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_6-{\mathrm{\ϵ}}_5}{2}\right|---\left(2\right)$

L₁＝α₁E₁    (3)

L₃＝α₃E₃    (4)

P＝μ₁L₁     (5)

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\right|\frac{L_1}{L_3}\left|\right)---\left(6\right)$

式(1)～(6)中，α₁、α₃和μ₁为通过实验测定的系数。

当ε₅＜ε₆时，表明风攻角向下，采用第三光纤光栅传感器、第四光纤光栅传感器、第五光纤光栅传感器和第六光纤光栅传感器的测量值进行计算。当ε₄＞ε₃时为正风压，反之为负风压。具体计算公式为：

$E_2=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_4-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right|---\left(7\right)$

L₂＝α₂E₂    (8)

P＝μ₂L₂     (9)

$\mathrm{\θ}=-\arccos \left(\right|\frac{L_2}{L_3}\left|\right)---\left(10\right)$

式(7)～(10)中，α₂和μ₂为通过实验测定的系数，L₃仍通过式(2)和式(4)计算。

本发明的有益效果：通过对风压计内部结构和外壳的设计，使得该新型风压计能很好的满足不同工程结构以及不同测试部位对风压的测量要求，能准确地测得工程结构物所在地的实际风特性。通过2块固定在支座上下表面的主膜片测风压，再配合1块固定在支座端部表面的副膜片测量出风的攻角，采用耐腐蚀性与抗疲劳性强的复合材料(如钛合金等)制造膜片来提高测量数据的稳定性与精确性。传感器采用光纤光栅传感器，不仅具有精度高、稳定性好和体积小的优点，在强电磁干扰、雨水、高温等恶劣环境也具有极高的可靠性。由于采用了悬臂梁的设计思想，弯曲位移可正可负，故该新型风压计不仅可以测正压，还可测负压。采用网状球面外型的护罩能够保护风压计内部敏感元件，同时不影响风力的作用效果。大面积平面底座采用高强度金属材料，同时具备了磁性和螺栓锚固两种连接方式可使该新型风压计便于固定在各类型工程结构物表面，亦可固定于支架上。照明、可安装/拆卸以及便携功能，使其能够更好地适应各类野外测试工作。该新型多功能风压计必定会给广大风工程测试研究人员提供诸多便利，因此具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明的风压计的核心部分和外壳部分的关系示意图；

图2是本发明的风压计的核心部分的详细构造示意图；

图3是本发明的风压计的外壳部分的详细构造示意图；

图4是本发明的风压计的俯视图；

图5是本发明的风压计的仰视图；

图6是本发明的风压计的右视图；

图7是本新型风压计旋转90度后的安装示意图。

图中各附图标记为：核心部分1；外壳部分2；第一悬臂梁式膜片3；第二悬臂梁式膜片4；第三悬臂梁式膜片5；第一光纤光栅传感器6；第二光纤光栅传感器7；第三光纤光栅传感器8；第四光纤光栅传感器9；第五光纤光栅传感器10；第六光纤光栅传感器11；固定支座12；U型外壳13；护罩14；底板15；照明设备16；漏水小孔17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1～图7所示，本发明一种新型多功能风压计包括核心部分1、外壳部分2、第一悬臂梁式膜片3、第二悬臂梁式膜片4、第三悬臂梁式膜片5、第一光纤光栅传感器6、第二光纤光栅传感器7、第三光纤光栅传感器8、第四光纤光栅传感器9、第五光纤光栅传感器10、第六光纤光栅传感器11、固定支座12、带大面积平面高强度金属底座的便携式U型外壳13、护罩14、底板15、照明设备16和漏水小孔17。

第一光纤光栅传感器6粘贴于第一悬臂梁式膜片3的左侧表面，第二光纤光栅传感器7粘贴于与第一光纤光栅传感器6位置对称的第一悬臂梁式膜片3的右侧表面；第三光纤光栅传感器8粘贴于第二悬臂梁式膜片4的左侧表面，第四光纤光栅传感器9粘贴于与第三光纤光栅传感器8位置对称的第二悬臂梁式膜片4的右侧表面；第五光纤光栅传感器10粘贴于第三悬臂梁式膜片5的下侧表面，第六光纤光栅传感器11粘贴于与第五光纤光栅传感器10位置对称的第三悬臂梁式膜片5的上侧表面；第一悬臂梁式膜片3垂直固定于固定支座12下侧表面，第二悬臂梁式膜片4垂直固定于固定支座12上侧表面，第三悬臂梁式膜片5垂直固定于固定支座12右端表面；固定支座12的左端与外壳部分2的底板15垂直焊接连接。通过测量臂梁式膜片的弯曲变形即可得出测点的风压和风攻角。

U型外壳13的底座同时具有磁性和螺栓锚固两种连接方式，既可以安置在工程结构物的混凝土材料或钢材的表面以满足长期测量需求，又能够安装在支架上适应短期测量要求；护罩14为不锈钢网状球面，通过螺栓与底板15连接，可有效保护核心部分，同时能够方便的拆卸而对核心部分进行维护；底板15为圆形开口、圆形底面并带漏水小孔17的不锈钢结构，通过螺栓与U型外壳13的两翼连接，可方便的对核心部分的受风角度进行调节；漏水小孔17位于底板15的圆形底边缘；照明设备16固定于底座和底板15之间的U型外壳13内侧。

下面对本发明的工作原理做进一步详细的说明：

当风攻角向上时，在风力作用下第一悬臂梁式膜片3和第三悬臂梁式膜片5产生弯曲位移；当风攻角向下时，在风力作用下第二悬臂梁式膜片4和第三悬臂梁式膜片5产生弯曲位移。粘贴于悬臂梁式膜片上的光纤光栅传感器由于悬臂梁式膜片的弯曲位移而产生应变。通过测量光纤光栅传感器的应变即可计算出测点的风压和风攻角。利用同一悬臂梁式膜片两侧的光纤光栅传感器的测量值可有效消除温度的影响。具体计算公式如下：

设第一光纤光栅传感器6、第二光纤光栅传感器7、第三光纤光栅传感器8、第四光纤光栅传感器9、第五光纤光栅传感器10和第六光纤光栅传感器11的应变分别为ε₁、ε₂、ε₃、ε₄、ε₅和ε₆；第一悬臂梁式膜片3、第二悬臂梁式膜片4和第三悬臂梁式膜片5的弯曲位移分别为L₁、L₂和L₃；第一悬臂梁式膜片3、第二悬臂梁式膜片4和第三悬臂梁式5膜片由于弯曲产生的应变绝对值为E₁、E₂和E₃；攻角为θ，向上为正；结构物表面风压为P。

当ε₅＞ε₆时，表明风攻角向上，采用第一光纤光栅传感器6、第二光纤光栅传感器7、第五光纤光栅传感器10和第六光纤光栅传感器11的测量值进行计算。当ε₂＞ε₁时为正风压，反之为负风压。具体计算公式为：

$E_1=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1}{2}\right|---\left(1\right)$

$E_3=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_6-{\mathrm{\ϵ}}_5}{2}\right|---\left(2\right)$

L₁＝α₁E₁    (3)

L₃＝α₃E₃    (4)

P＝μ₁L₁     (5)

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\right|\frac{L_1}{L_3}\left|\right)---\left(6\right)$

式(1)～(6)中，α₁、α₃和μ₁为通过实验测定的系数。

当ε₅＜ε₆时，表明风攻角向下，采用第三光纤光栅传感器8、第四光纤光栅传感器9、第五光纤光栅传感器10和第六光纤光栅传感器11的测量值进行计算。当ε₄＞ε₃时为正风压，反之为负风压。具体计算公式为：

$E_2=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_4-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right|---\left(7\right)$

L₂＝α₂E₂    (8)

P＝μ₂L₂     (9)

$\mathrm{\θ}=-\arccos \left(\right|\frac{L_2}{L_3}\left|\right)---\left(10\right)$

式(7)～(10)中，α₂和μ₂为通过实验测定的系数，L₃仍通过式(2)和式(4)计算。

通过在悬臂梁式膜片两侧对称粘贴光纤光栅传感器，可有效消除温度对光纤光栅传感器的影响，同时可判断风压的方向。结合竖直向悬臂梁式膜片和水平向悬臂梁式膜片还能测量出风的攻角。采用光纤光栅传感器作为传感元件，可使风压计的测量精度高、稳定性好、耐久性好、抗电磁干扰、能够适应高温和潮湿环境。另外，本发明采用悬臂梁式膜片，结构简单，易于批量加工生产。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多功能风压计，包括核心部分和外壳部分，其特征在于：所述核心部分包括固定支座（12），第一悬臂梁式膜片（3）、第二悬臂梁式膜片（4）、第三悬臂梁式膜片（5）分别垂直固定于固定支座（12）的下表面、上表面和右端侧面，第一光纤光栅传感器（6）和第二光纤光栅传感器（7）粘贴于第一悬臂梁式膜片的两侧对称位置；第三光纤光栅传感器（8）和第四光纤光栅传感器（9）粘贴于第二悬臂梁式膜片的两侧对称位置；第五光纤光栅传感器（10）和第六光纤光栅传感器（11）粘贴于第三悬臂梁式膜片的两侧对称位置。

2.根据权利要求1所述的多功能风压计，其特征在于：所述外壳部分包括U型外壳（13），底板（15）通过螺栓与U型外壳（13）的两翼连接，护罩（14）通过螺栓与底板（15）连接，固定支座（12）垂直固定连接在底板（15）上。

3.根据权利要求2所述的多功能风压计，其特征在于：所述护罩（14）为不锈钢网状球面。

4.根据权利要求2所述的多功能风压计，其特征在于：所述底板（15）为圆盘形，圆盘形底面带漏水小孔（17）。

5.根据权利要求4所述的多功能风压计，其特征在于：所述漏水小孔（17）位于底板（15）的圆盘形底边缘。

6.根据权利要求2所述的多功能风压计，其特征在于：所述底板（15）的材料为不锈钢。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的多功能风压计，其特征在于：照明设备（16）固定于底座和底板（15）之间的U型外壳（13）内侧。

8.根据权利要求2所述的多功能风压计，其特征在于：所述U型外壳（13）的底座同时具有磁性和螺栓锚固两种连接方式。

9.根据权利要求1所述的多功能风压计，其特征在于：所述第一悬臂梁式膜片、第二悬臂梁式膜片和第三悬臂梁式膜片的材质为钛合金。

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