CN103543287A - 一种球形风速风向传感器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形风速风向传感器结构，采用四个支撑杆对称安装在支撑基座四周，支撑杆上方固定区域安装带有应力检测传感器的弹性结构，弹性结构通过弹簧和中心的球形感风结构相连。本发明提供的球形风速风向传感器结构，具有结构简单、体积小、安装方便、成本低的优点，且温度漂移小，能够适合便携和移动测量需要。

Description

一种球形风速风向传感器结构

技术领域

本发明涉及风速风向检测装置，尤其涉及一种球形风速风向传感器结构。

背景技术

风速、风向是反应气象形势的非常重要的参数，风速和风向的检测对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际意义。传统的风杯和风向标是目前仍广泛使用的检测器件，但这些机械装置因具有转动部件而易磨损，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于MEMS加工技术的微型热流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来热风速传感器研究的热点。但是，由于硅衬底的高热导率，这类传感器的功耗较大，灵敏度较低。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于压阻应变片及球形感风装置的球形风速风向传感器结构，体积小、抗干扰能力强且功耗低。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种球形风速风向传感器结构，包括支撑基座、四组结构完全相同的支撑杆连接结构和球状感应装置，在支撑基座的水平支撑面上定义一个正方形S，记正方形S的两条对角线的交点为O，垂直于正方形S且经过交点O的直线为l；每组支撑杆连接结构包括一根支撑杆、一个弹性结构和一根弹簧，所述四根支撑竖直固定在支撑基座的水平支撑面上，且四根支撑柱底端分别位于所述正方形S的四个顶点上；所述弹性结构安装在支撑柱上部正对直线l的位置，在弹性结构可变形位置处的根部设置有应力检测传感器，所述弹簧的一端与弹性结构固定，另一端与球状感应装置固定；所述球状感应装置与四根弹簧的四个固定点分别位于其两条垂直相交的直径的两个端点；初始状态，所述球状感应装置悬于支撑基座的上方，且球状感应装置的球心位于直线l上。

具体的，所述弹性结构为单端固定的悬臂梁结构、双端固定的固定梁结构或四周固定的薄膜结构；所述弹性结构与弹簧的连接部位为弹性结构的中部。

具体的，所述应力检测传感器为金属应变片或半导体压阻。

优选的，所述支撑基座为方形或圆形薄盘结构。

具体的，所述球状感应装置为球型、圆柱型或椭球型，但一定要求球状感应装置为轻质、自重低的结构。

本案提供的球形风速风向传感器结构，其构造为在支撑基座上对称放置四根支撑杆，在支撑杆顶部安装弹性结构，在弹性结构可变形位置处的根部安装应力检测传感器，弹性结构与弹簧连接，四根弹簧另一端与球状感应装置连接。无风情况下，球状感应装置处于中心位置，四个应力检测传感器受力一致，四个应力检测传感器的输出电压大小保持一致。当周围环境有水平风吹过，球状感应装置将会根据受力情况产生顺风方向的位移，这种变化趋势将会导致四根支撑杆上的弹簧发生不同的形变，从而将应力传递到四根垂直支撑杆上使应力检测传感器产生不同的输出。这种二维对称结构的设计，使得应力检测传感器可以同时得到相互正交的两组测量电压值，经过一定的数值计算可以得到风速和风向的信息。

有益效果：本发明提供的球形风速风向传感器结构，具有如下优势：1、采用增大受风面积的球型结构，有效放大了传感器的接收信号，抗干扰能力强；2、应力检测传感器可以采用金属应变片或半导体压阻实现，传感器可靠且成本低；3、四应力检测传感器为电阻型结构，驱动方便，输出电压抗干扰性好；4、结构无转动部件，维护方便；5、可以采用半导体硅作为压阻传感器和支撑结构，采用游丝弹簧和塑料球受力结构，能制作厘米尺寸的风速传感器，因此具有体积小，功耗低的优点，便携性好；6、风速和风向的计算和相对边的电压差有关，而不是单个传感器的输出，传感器温漂小。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为本发明的正视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示为一种球形风速风向传感器结构，属于一种基于应力测量的球形二维风速风向传感器结构，包括支撑基座1、四组结构完全相同的支撑杆连接结构和球状感应装置4，在支撑基座1的水平支撑面上定义一个正方形S，记正方形S的两条对角线的交点为O，垂直于正方形S且经过交点O的直线为l；每组支撑杆连接结构包括一根支撑杆、一个弹性结构和一根弹簧，所述四根支撑竖直固定在支撑基座1的水平支撑面上，且四根支撑柱底端分别位于所述正方形S的四个顶点上；所述弹性结构安装在支撑柱上部正对直线l的位置，在弹性结构可变形位置处的根部设置有应力检测传感器，所述弹簧的一端与弹性结构固定，另一端与球状感应装置4固定；所述球状感应装置4与四根弹簧的四个固定点分别位于其两条垂直相交的直径的两个端点；初始状态，所述球状感应装置4悬于支撑基座1的上方，且球状感应装置4的球心位于直线l上。

所述弹性结构为单端固定的悬臂梁结构、双端固定的固定梁结构或四周固定的薄膜结构；所述弹性结构与弹簧的连接部位为弹性结构的中部；所述应力检测传感器为金属应变片或半导体压阻；所述支撑基座1为方形或圆形薄盘结构。

如图1、图2所示，按顺时针方向，记四根支撑杆分别为第一支撑杆21、第二支撑杆22、第三支撑杆23和第四支撑杆24，相对应的弹性结构分别为第一弹性结构61、第二弹性结构、第三弹性结构63和第四弹性结构，

相对应的应力检测传感器分别为第一应力检测传感器51、第二应力检测传感器、第三应力检测传感器53和第四应力检测传感器，相对应的弹簧分别为第一弹簧31、第二弹簧32、第三弹簧33和第四弹簧34。

当风沿某一水平方向吹过整个传感器结构，将带动中心的球状感应装置4沿风向位移，位移会造成连接不同支撑杆上的弹簧产生相应的形变，风下游一侧的弹簧压缩，上游一侧弹簧压缩，上述力的变化通过弹性结构将应力分别传给应力检测传感器。这些传感器的输出电压与风速W和风向D的关系可以用如下公式计算：

$W=k\sqrt{{(V_{21}-V_{23})}^2+{(V_{24}-V_{22})}^2}$

$D=\mathrm{arctg}\frac{V_{21}-V_{23}}{V_{24}-V_{22}}$

上式中，V₂₁、V₂₂、V₂₃和V₂₄分别代表第一应力检测传感器51、第二应力检测传感器、第三应力检测传感器53和第四应力检测传感器的电压输出值；k代表修正系数。

最后通过象限换算和一定的标定，可以得到准确的风速和风向的信息。

本案的球形风速风向传感器结构制作方法如下：

第一步：采用传统机械加工方法如车、铣、切、磨等加工完成支撑基座1；

第二步：采用传统机械加工方法如车、铣、切、磨等加工完成支撑杆并开孔；

第三步：采用薄金属弹片如不锈钢等加工成长条状的弹性片，弹性片的宽度小于支撑杆上孔的直径，长度大于孔的直径，然后将其长度方向的一端贴上应力检测传感器如金属应变片或半导体压阻应变片，另一端中心打孔用于固定弹簧；

第四步：将贴上应力检测传感器的弹性片以半覆盖方式粘贴到支撑杆上的小孔上，没有贴应力检测传感器的一端设置在小孔内壁的中心附近，贴应力传感器的一端固定在小孔的外边缘，保证应力检测传感器基本处于弹性片的弯曲根部；

第五步：将支撑杆插入支撑基座，用螺栓或螺钉固定，保证贴有弹性片的两两正对；

第六部：选择塑料空心半球的四面对称位置钻细孔，然后将四根细弹簧穿入并固定，然后和另一空心塑料半球合并粘接形成圆球；

第七步：将上述圆球上的四根弹簧分别穿入支撑杆上弹性片中心的小孔并固定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种球形风速风向传感器结构，其特征在于：包括支撑基座（1）、四组结构完全相同的支撑杆连接结构和球状感应装置（4），在支撑基座（1）的水平支撑面上定义一个正方形S，记正方形S的两条对角线的交点为O，垂直于正方形S且经过交点O的直线为l；每组支撑杆连接结构包括一根支撑杆、一个弹性结构和一根弹簧，所述四根支撑竖直固定在支撑基座（1）的水平支撑面上，且四根支撑柱底端分别位于所述正方形S的四个顶点上；所述弹性结构安装在支撑柱上部正对直线l的位置，在弹性结构可变形位置处的根部设置有应力检测传感器，所述弹簧的一端与弹性结构固定，另一端与球状感应装置（4）固定；所述球状感应装置（4）与四根弹簧的四个固定点分别位于其两条垂直相交的直径的两个端点；初始状态，所述球状感应装置（4）悬于支撑基座（1）的上方，且球状感应装置（4）的球心位于直线l上。

2.根据权利要求1所述的球形风速风向传感器结构，其特征在于：所述弹性结构为单端固定的悬臂梁结构、双端固定的固定梁结构或四周固定的薄膜结构；所述弹性结构与弹簧的连接部位为弹性结构的中部。

3.根据权利要求1所述的球形风速风向传感器结构，其特征在于：所述应力检测传感器为金属应变片或半导体压阻。

4.根据权利要求1所述的球形风速风向传感器结构，其特征在于：所述支撑基座（1）为方形或圆形薄盘结构。

5.根据权利要求1所述的球形风速风向传感器结构，其特征在于：所述球状感应装置（4）为球型、圆柱型或椭球型。

Images