CN102539824A - 微纳测风矢量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微纳测风矢量传感器，解决了现有测风仪器存在检测不准、维护不便等缺点。本发明包括上盖、中间支撑体和底座，上盖的底面上设有条形卡棱，条形卡棱与中间支撑体上表面形成风道；中间支撑体内部设有内部支撑体，内部支撑体顶部安置二维敏感转换微结构，二维敏感转换微结构的微型柱状体穿过中间支撑体上表面后置于条形卡棱所形成的风道中，底座内设有与二维敏感转换微结构连接的PCB电路板。检测时，当风进入风道后，二维敏感转换微结构就可以检测到从风道进来的风。本发明开创性的采用二维敏感转换微结构对风进行测量，可实现对风速和风压的同步测量，检测灵敏度和准度都得到了较大的提高，而且还能准确的测出风的瞬时变化值。

Description

微纳测风矢量传感器

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS技术的矢量传感器，特别涉及一种用于检测风速、风向的矢量传感器，具体为一种微纳测风矢量传感器。

背景技术

目前，常用的测风仪器大多为机械旋转式测风传感器，这种类型的传感器在进行测量时，风向量即风速和风向是分别测量的，在时间和空间上都不同步，测量结果与实际的风矢量之间有较大的误差，尤其是在风向和风速传感器的起动风速不同时，可能造成完全错误的测量结果，另外，由于旋转式测风传感器的结构特点，它存在转动惯性，难以测到风的瞬时变化值,其在一些应用环境较恶劣的场合使用和维护都不方便。

现在，利用MEMS技术结合压阻原理研制的矢量水听器已被广泛使用，它可以实现对水下声压信号的探测，其中，矢量水听器中的核心部件是二维敏感转换微结构，二维敏感转换微结构包括十字形悬臂梁结构，固定于十字形悬臂梁结构中央的微型柱状体以及设于十字形悬臂梁结构四梁端部的硅微压敏电阻，当水中的声压对微型柱状体产生压力时，微型柱状体就会产生偏移，从而对二维敏感转换微结构的十字形悬臂梁结构产生力矩导致梁弯曲，梁上的硅微压敏电阻就会感应到梁的应变，通过测量硅微压敏电阻的变化就可以测到声压信号的方位和大小。例如专利申请号为200910073993.4的中国发明专利申请公开了一种“微机电矢量水听器”，该微机电矢量水听器的核心部件就是利用MEMS技术结合压阻原研制成的二维敏感转换微结构（如图7所示），该二维敏感转换微结构具有灵敏度高、测量精度准等优点。

空气中的风压信号和水中的声压信号具有相同之处，都属于低频信号，同时水和空气都是流体介质，风压信号是由于空气各处气压不同产生的，而水中的声压信号在水中传播也就是水在声源的作用下使各处水压不同而使水从高压流向低压的过程，这两种信号的传播都是流体在信号源推动下的流动，这种流动是在风压或声压的作用下产生的，都是一种压力的传递，而敏感转换微结构的微型柱状体感受的就是压力信号。由此可见，空气中的风压和水下的声压在本质上是极其相似的，那么是否可以将矢量水听器中的敏感转换微结构用于测量空气中的风压，对于这个问题的研究就显得十分必要了。

发明内容

本发明是为了解决现有测风仪器存在检测结果不准确、维护不方便、不便用于环境较恶劣的场合等缺点，而提供一种新型的微纳测风矢量传感器。本发明的纳测风矢量传感器的核心部件是采用现有矢量水听器中的二维敏感转换微结构，通过二维敏感转换微结构实现对风速和风压的测量。

本发明是用过以下技术方案实现的：

一种微纳测风矢量传感器，包括用于放置二维敏感转换微结构的中间支撑体，连接在中间支撑体顶部的上盖和连接在中间支撑体底部的底座；其中，所述的中间支撑体设有内腔，内腔中安置有内部支撑体，内部支撑体在其中轴线位置开设有对穿的引线通孔，内部支撑体的上表面中央位置设有微结构安装槽，微结构安装槽内卡接有二维敏感转换微结构并使二维敏感转换微结构的微型柱状体伸出中间支撑体的上表面，中间支撑体的上表面中心处开设有与中间支撑体内腔相通且用于插接微结构安装槽的插孔，中间支撑体的底面中央位置设有连接凸块，连接凸块上开设有与中间支撑体内腔相通的中心通孔，中心通孔通过螺纹与内部支撑体的底部连接；所述上盖的底面上对称均布有2-4个由中心向边缘呈辐射状排布的条形卡棱，所有条形卡棱位于中心的一端之间留有间隙，中间支撑体上表面通过螺钉与各条形卡棱固定（以此实现上盖与中间支撑体的连接）；所述底座的内部设有电路板安装槽，电路板安装槽的槽口开于底座的底面上且槽口上盖接有固定PCB电路板的底盖，底座的上表面中央位置设有与中间支撑体底面连接凸块相配合的连接凹槽，且连接凹槽和连接凸块之间为螺纹连接（以此实现底座与中间支撑体的连接），连接凹槽的底部开设有与电路板安装槽相通的导线孔，底座的底部侧壁上还固接有连接法兰，连接法兰的侧壁上开设有与电路板安装槽相通的电缆输出孔；二维敏感转换微结构连接有导线，导线依次穿过内部支撑体的引线通孔、底座连接凹槽内的导线孔后与PCB电路板连接，PCB电路板上还连接有输出电缆且输出电缆通过电缆输出孔引出。

工作时，二维敏感转换微结构的微型柱状体穿过中间支撑体上表面的插孔后置于上盖底面各条形卡棱位于中心的一端的间隙间，而上盖底面上的各条形卡棱与中间支撑体上表面之间形成了用于通风的全方位测风风道，风进入到风道后会吹到二维敏感转换微结构的微型柱状体上，使得微型柱状体发生偏移，从而对二维敏感转换微结构的十字形悬臂梁结构产生力矩导致梁弯曲，梁上的硅微压敏电阻就会感应到梁的应变而发生变化，硅微压敏电阻的变化会依次通过导线、PCB电路板、输出电缆后，输入到外界信号处理系统中，外界信号处理系统即可解算出空气中风的风速和风向。

进一步地，所述中间支撑体上表面的外边缘部分和上盖底面的外边缘部分都为弧形凹面设置（中间支撑体上表面和上盖底面的中间部分都为平面设计，在靠近外边缘的位置开始变为平缓的向下或向上的弧面设计，弧面延至中间支撑体和上盖的侧壁，该部分向下或向上的弧面即为所述的弧形凹面），且中间支撑体上的弧形凹面和上盖上的弧形凹面的弧度相同且为对称设置，即中间支撑体的上表面和上盖的底面之间呈喇叭口状；上盖底面上的各条形卡棱的下表面与中间支撑体上表面吻合设置。中间支撑体上表面的外边缘部分和上盖底面的外边缘部分都为弧形凹面设置，这样就使中间支撑体上表面和上盖底面之间形成了一个喇叭口状，扩大了各风道的口径，使各风道由边缘到中心形成了360度全向测风的收敛型扩风速风道，并且根据流体连续方程和伯努利方程的计算，风通过风道后，风速可以扩大为原始风速的六倍，这样就进一步增加了二维敏感转换微结构的灵敏度，提高了二维敏感转换微结构的测量准度。

在所述的中间支撑体上表面的弧形凹面和插孔之间还对称均布有与上盖底面上条形卡棱相配合的条形卡槽。条形卡棱卡在条形卡槽内，可以进一步增强上盖与中间支撑体之间的稳定性。

所述的上盖和中间支撑体是采用303Se不锈钢材料加工而成。该型号不锈钢材料不但具有良好的耐腐蚀、易切削特点，而且表面光浩度高，有助于减小气流通过风道时产生的附面层效应。

所述微纳测风矢量传感器中的二维敏感转换微结构采用现有公知技术-专利申请号为200910073993.4的中国发明专利申请 “微机电矢量水听器”中的二维敏感转换微结构，或其他同类型的二维敏感转换微结构。

本发明微纳测风矢量传感器的有益效果有：

（1）、本发明测风传感器是将矢量水听器中的二维敏感转换微结构运用到测风领域中，因此极具新颖性和开拓性，又由于该二维敏感转换微结构是一种二维结构，所以又可以在得到风速的同时得出风向，这样就能同步得到出风矢量的全部信息：风速和风压，解决了现有测风仪器不能同步测量风速和风压的弊端，从而极大的提高了测风传感器的测量准度。另外，由于该二维敏感转换微结构在测风时不存在转动惯性，因此本发明测风传感器还能准确的测出风的瞬时变化值。

（2）、本发明测风传感器中，封装在二维敏感转换微结构外部的中间支撑体、上盖、底座等结构设计合理、易于组装、维护方便，一方面可以保护二维敏感转换微结构，使本测风传感器可以用于环境较恶劣的场合；另一方面，这些结构的合理设计（如上盖和中间支撑体之间组成的360度全向测风收敛型扩风速风道），也大大增强二维敏感转换微结构的灵敏度，从此提高了本发明测风传感器的测量准度。  结构简单、成本低廉且易于加工制作，适合批量生产。

（3）、本发明测风传感器加工成本低，易于制作，适合批量生产，且用途广泛，如用于煤矿井巷、气象、军事等领域的测风工作。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为图2中的B-B剖视图。

图5为本发明各部件分解正面示意图。

图6为本发明各部件分解反面示意图。

图7为二维敏感转换微结构示意图。

图中：1-中间支撑体、1-1-插孔、1-2-连接凸块、1-3-中心通孔、1-4-条形卡槽、2-上盖、2-1-条形卡棱、3-底座、3-1-电路板安装槽、3-2-底盖、3-3-连接凹槽、3-4-导线孔、3-5-连接法兰、3-6-电缆输出孔、4-内部支撑体、4-1-引线通孔、4-2-微结构安装槽、5-二维敏感转换微结构、6-PCB电路板、7-导线、8-输出电缆、9-弧形凹面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1-6所示，一种微纳测风矢量传感器，包括用于放置二维敏感转换微结构5的中间支撑体1，连接在中间支撑体1顶部的上盖2和连接在中间支撑体1底部的底座3；其中，所述的中间支撑体1设有内腔，内腔中安置有内部支撑体4，内部支撑体4在其中轴线位置开设有对穿的引线通孔4-1，内部支撑体4的上表面中央位置设有微结构安装槽4-2，微结构安装槽4-2内卡接有二维敏感转换微结构5，中间支撑体1的上表面中心处开设有与中间支撑体1内腔相通且用于插接微结构安装槽4-2的插孔1-1，中间支撑体1的底面中央位置设有连接凸块1-2，连接凸块1-2上开设有与中间支撑体1内腔相通的中心通孔1-3，中心通孔1-3通过螺纹与内部支撑体4的底部连接；所述上盖2的底面上对称均布有2-4个由中心向边缘呈辐射状排布的条形卡棱2-1，所有条形卡棱2-1位于中心的一端之间留有间隙，中间支撑体1上表面通过螺钉与各条形卡棱2-1固定；所述底座3的内部设有电路板安装槽3-1，电路板安装槽3-1的槽口开设于底座3的底面且槽口上盖接有固定PCB电路板6的底盖3-2，底座1的上表面中央位置设有与中间支撑体1底面连接凸块1-2相配合的连接凹槽3-3，且连接凹槽3-3和连接凸块1-2之间为螺纹连接，连接凹槽3-3的底部开设有与电路板安装槽3-1相通的导线孔3-4，底座3的底部侧壁上还固接有连接法兰3-5，连接法兰3-5的侧壁上开设有与电路板安装槽3-1相通的电缆输出孔3-6；二维敏感转换微结构5连接有导线7，导线7依次穿过内部支撑体4的引线通孔4-1、底座3连接凹槽3-3内的导线孔3-4后与PCB电路板6连接，PCB电路板6上还连接有输出电缆8且输出电缆8通过电缆输出孔3-6引出。

具体实施时，设于上盖底2面上的条形卡棱2-1的个数为2-4个，若布置2个条形卡棱，则会形成2个测风风道，若布置3个条形卡棱，则会形成3个测风风道，若布置4个条形卡棱，则会形成4个测风风道，所以条形卡棱的布置个数可根据实际需要测量情况而定。

上盖2和中间支撑体1可采用耐腐蚀、易切削、表面光浩度高的303Se不锈钢材料加工而成，以减小气流通过风道时产生的附面层效应。其他结构可采用价格低廉的普通不锈钢加工而成，以降低成本。

Claims (4)

1.一种微纳测风矢量传感器，其特征在于：包括用于放置二维敏感转换微结构（5）的中间支撑体（1），连接在中间支撑体（1）顶部的上盖（2）和连接在中间支撑体（1）底部的底座（3）；其中，所述的中间支撑体（1）设有内腔，内腔中安置有内部支撑体（4），内部支撑体（4）在其中轴线位置开设有对穿的引线通孔（4-1），内部支撑体（4）的上表面中央位置设有微结构安装槽（4-2），微结构安装槽（4-2）内卡接有二维敏感转换微结构（5）并使二维敏感转换微结构（5）的微型柱状体伸出中间支撑体（1）的上表面，中间支撑体（1）的上表面中心处开设有与中间支撑体（1）内腔相通且用于插接微结构安装槽（4-2）的插孔（1-1），中间支撑体（1）的底面中央位置设有连接凸块（1-2），连接凸块（1-2）上开设有与中间支撑体（1）内腔相通的中心通孔（1-3），中心通孔（1-3）通过螺纹与内部支撑体（4）的底部连接；所述上盖（2）的底面上对称均布有2-4个由中心向边缘呈辐射状排布的条形卡棱（2-1），所有条形卡棱（2-1）位于中心的一端之间留有间隙，中间支撑体（1）上表面通过螺钉与各条形卡棱（2-1）固定；所述底座（3）的内部设有电路板安装槽（3-1），电路板安装槽（3-1）的槽口开于底座（3）的底面上且槽口上盖接有固定PCB电路板（6）的底盖（3-2），底座（3）的上表面中央位置设有与中间支撑体（1）底面连接凸块（1-2）相配合的连接凹槽（3-3），且连接凹槽（3-3）和连接凸块（1-2）之间为螺纹连接，连接凹槽（3-3）的底部开设有与电路板安装槽（3-1）相通的导线孔（3-4），底座（3）的底部侧壁上还固接有连接法兰（3-5），连接法兰（3-5）的侧壁上开设有与电路板安装槽（3-1）相通的电缆输出孔（3-6）；二维敏感转换微结构（5）连接有导线（7），导线（7）依次穿过内部支撑体（4）的引线通孔（4-1）、底座（3）连接凹槽（3-3）内的导线孔（3-4）后与PCB电路板（6）连接，PCB电路板（6）上还连接有输出电缆（8）且输出电缆（8）通过电缆输出孔（3-6）引出。

2.根据权利要求1所述的微纳测风矢量传感器，其特征在于：所述中间支撑体（1）上表面的外边缘部分和上盖（2）底面的外边缘部分都为弧形凹面（9）设置，且中间支撑体（1）上的弧形凹面（9）和上盖（2）上的弧形凹面（9）的弧度相同且为对称设置，即中间支撑体（1）的上表面和上盖（2）的底面之间呈喇叭口状；上盖（2）底面上的各条形卡棱（2-1）的下表面与中间支撑体（1）上表面吻合设置。

3.根据权利要求2所述的微纳测风矢量传感器，其特征在于：在所述的中间支撑体（1）上表面的弧形凹面（9）和插孔（1-1）之间部分还对称均布有与上盖（2）底面上条形卡棱（2-1）相配合的条形卡槽（1-4）。

4.根据权利要求1或2或3所述的微纳测风矢量传感器，其特征在于：所述的上盖（2）和中间支撑体（1）是采用303Se不锈钢材料加工而成。

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