CN103901224A

CN103901224A - 一种可测上升流的三维海流传感器及测量上升流和水平流的测量方法

Info

Publication number: CN103901224A
Application number: CN201410154946.3A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 龙灿; 王云燕; 鲍艳艳; 胡珊珊
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: CN103901224B

Abstract

本发明公开了一种可测上升流的三维海流传感器，其是以圆筒形壳体为总支撑，设置水平力测量单元和垂直力测量单元；水平力测量单元包括球壳、连接杆、圆盘形中心台以及四根水平测量弹性梁，球壳设于壳体的上方，连接杆的上端与球壳固联，下端伸入壳体的内腔与中心台固联；四根水平测量弹性梁同处在一个平面上并呈十字形排布；各水平测量弹性梁的两端分别与中心台的外周及壳体的内壁固联，在各水平测量弹性梁的上下面上设置有第一应变片；垂直力测量单元包括两个水平布置的圆盘以及两个垂直力放大机构，两个圆盘分别固联在两个垂直力放大机构的外伸臂前端并对称处于壳体的外部两侧；在壳体内的垂直力放大机构主体上设有获得圆盘所受力的第二应变片。

Description

一种可测上升流的三维海流传感器及测量上升流和水平流的测量方法

技术领域：

本发明涉及一种可测上升流的三维海流传感器，及采用该传感器进行测量上升流和水平流的测量方法。

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、海流和大气层中，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：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、工作可靠的三维流速传感器，及采用该传感器进行测量上升流和水平流的测量方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种可测上升流的三维海流传感器，是以圆筒形壳体为总支撑，设置水平力测量单元和垂直力测量单元；

所述水平力测量单元包括球壳、连接杆、圆盘形中心台以及四根水平测量弹性梁，所述球壳设于所述壳体的上方，处于壳体轴线上的所述连接杆的上端与所述球壳固联，连接杆的下端伸入壳体的内腔与所述中心台的中心固联；所述四根水平测量弹性梁同处在一个垂直于壳体轴线的平面上并以壳体轴线为中心呈十字形排布；各水平测量弹性梁的两端分别与中心台的外周及壳体的内壁固联，并在各水平测量弹性梁的上下面上设置有第一应变片；

所述垂直力测量单元包括两个水平布置的圆盘以及两个垂直力放大机构，各所述垂直力放大机构的主体设于所述壳体内，各垂直力放大机构的外伸臂穿过所述壳体并与壳体壁之间具有间隙，所述两个圆盘分别固联在两个外伸臂前端并对称处于壳体的外部两侧；

在壳体内的垂直力放大机构主体上设有获得圆盘所受力的第二应变片。

各所述垂直力放大机构包括呈倒山字形的支架、水平设置的一个一级杠杆、两个二级杠杆、两个三级杠杆，所述倒山字形的支架具有中柱，对称处于所述中柱两侧的两个侧柱，两个侧柱与中柱之间通过两个横梁固联；所述一级杠杆的重心通过支撑铰链与所述中柱的底端连接，所述两个二级杠杆的重心各自通过支撑铰链与两个侧柱的底端连接，所述两个三级杠杆的重心各自通过支撑铰链与两个横梁的底面连接；

各所述杠杆以其重心为界分为长臂和短臂，各杠杆的短臂均设有配重，所述一级杠杆的长臂即是垂直力放大机构的外伸臂；

紧靠所述中柱的两侧设有两根一级连杆，各一级连杆的两端分别通过连接铰链与二级杠杆的长臂和一级杠杆柔性连接；紧靠所述支架的两个侧柱内侧设有两根二级连杆，各二级连杆的两端分别通过连接铰链与三级杠杆的长臂和二级杠杆柔性连接；两根二级杠杆、两根三级杠杆、两根一级连杆、两根二级连杆均以所述中柱为轴呈轴对称分布；

两根三级杠杆的短臂与所述中柱固联或通过微动平台与所述中柱连接，并在三级杠杆的短臂上开孔使其构成垂直测量弹性梁，各所述垂直测量弹性梁上设有第二应变片；

所述倒山字形支架与所述壳体的内壁固联。

一种上述三维海流传感器进行测量上升流和水平流的测量方法，是按以下方式实现上升流和水平流的三维流速、流向测量：

在三维水流中，球壳会受到水平流产生的两维水平作用力，该两维水平作用力通过连接杆和中心台对成十字形的水平测量弹性梁产生两维力矩，布置在两个方向上的水平测量弹性梁上下面的第一应变片分别受到拉应力或压应力；根据一个方向上的第一应变片构成的电桥便可以获得该方向上的力矩，由两个方向的力矩便可以合成两维的力矩大小和方向，根据该力矩就可以反求出水平作用力的大小和方向，根据标定的水平作用力和流速间关系便可以获得水平流速的大小和方向；

在三维水流中，除了存在水平流，还存在上升流，所以三维水流相对水平布置的圆盘形成攻角，三维水流会对圆盘不仅产生水平阻力，还会产生升力，一级杠杆的长臂即外伸臂相当长，所以通过一级杠杆，升力便可以得到明显放大，再通过二级杠杆、三级杠杆的连续放大，则升力通过垂直力放大机构便可以产生三级力放大效应；最后作用力作用在垂直测量弹性梁上，布置在垂直测量弹性梁上、下的第二应变片便会受到拉应力、压应力；通过第二应变片构成的电桥便可以获得最后的作用力，通过标定的垂直力放大机构便能够得到升力的大小，升力和水平流速和上升流的大小都有关系，所以，可以结合水平流速测量的结果，根据标定的升力和上升流、水平流的关系，由升力获得上升流的大小。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明利用球壳的绕流阻力测量水平流速，利用圆盘所受的升力测量垂直流速，结构简单，对水平流速和上升流的测量更加敏感。

2、本发明可以消除重力和浮力的影响，实现精确的三维流速的测量。

3、本发明水平力测量单元和垂直力测量单元相互分开，既可以测量水平流速，又可以通过放大机构，满足维间流速差异较大的流速测量，保证微小上升流的测量。

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，测量精度高。

5、本发明水平测量中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，较好地获得水平方向上的流速的大小和方向。

6、利用水平流速大小和升力大小，便可以获得上升流的流速大小，计算方法简单。

7、利用两个圆盘测量，可以消除圆筒形壳体总支撑的影响，保证了上升流的测量精度。

附图说明：

图1为本发明的整体外形图，图2为本发明的水平流速测量单元的放大图，图3为本发明的垂直流速测量单元，图4为本发明的垂直流速测量单元的局部放大图。

图中标号：1壳体，2球壳，3连接杆，4中心台，5水平测量弹性梁，6第一应变片，7圆盘，8第二应变片，9支架，10一级杠杆，11二级杠杆，12三级杠杆，13支撑铰链，14一级连杆，15连接铰链，16二级杠杆，17垂直测量弹性梁，91中柱，92侧柱，93横梁。

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。

具体实施方式：

实施例：结合图1-4，本实施例的可测上升流的三维海流传感器，其是以圆筒形壳体1为总支撑，设置有水平力测量单元和垂直力测量单元；

其中，水平力测量单元包括球壳2、连接杆3、圆盘形中心台4以及四根水平测量弹性梁5，球壳2设于壳体1的上方，处于壳体1轴线上的连接杆3的上端与球壳2固联，连接杆3的下端伸入壳体的内腔与中心台4的中心固联；四根水平测量弹性梁同处在一个垂直于壳体轴线的平面上并以壳体轴线为中心呈十字形排布；各水平测量弹性梁5的两端分别与中心台的外周及壳体的内壁固联，并在各水平测量弹性梁的上下面上设置有第一应变片6。

垂直力测量单元包括两个水平布置的圆盘7以及两个垂直力放大机构，各垂直力放大机构的主体设于壳体1内，各垂直力放大机构的外伸臂穿过壳体1并与壳体壁之间具有间隙，两个圆盘7分别固联在两个外伸臂前端并对称处于壳体1的外部两侧。

在壳体内的垂直力放大机构主体上设有获得圆盘所受力的第二应变片8。

各垂直力放大机构包括呈倒山字形的支架9、水平设置的一个一级杠杆10、两个二级杠杆11、两个三级杠杆12，其中，倒山字形的支架具有中柱91，对称处于中柱91两侧的两个侧柱92，两个侧柱与中柱之间通过两个横梁93固联；一级杠杆10的重心通过支撑铰链13与中柱的底端连接，两个二级杠杆11的重心各自通过支撑铰链与两个侧柱92的底端连接，两个三级杠杆12的重心各自通过支撑铰链与两个横梁93的底面连接。

各杠杆以其重心为界分为长臂和短臂，各杠杆的短臂均设有配重，其中，一级杠杆的长臂即是垂直力放大机构的外伸臂，用于固定连接圆盘7。

紧靠中柱91的两侧设有两根一级连杆14，各一级连杆14的两端分别通过连接铰链15与二级杠杆的长臂和一级杠杆柔性连接；紧靠支架的两个侧柱92内侧设有两根二级连杆16，各二级连杆16的两端分别通过连接铰链与三级杠杆的长臂和二级杠杆柔性连接；两根二级杠杆、两根三级杠杆、两根一级连杆、两根二级连杆均以中柱为轴呈轴对称分布。

两根三级杠杆的短臂与中柱固联或通过微动平台与中柱连接，并在三级杠杆的短臂上开孔使其构成垂直测量弹性梁17，各垂直测量弹性梁上设有第二应变片8；

倒山字形支架9与壳体的内壁固联。

以上述的三维海流传感器进行测量上升流和水平流的测量方法，其是按以下方式实现上升流和水平流的三维流速、流向测量：

在三维水流中，球壳2会受到水平流产生的两维水平作用力，该两维水平作用力通过连接杆3和中心台4对成十字形的水平测量弹性梁5产生两维力矩，布置在两个方向上的水平测量弹性梁5上下面的第一应变片6分别受到拉应力或压应力；根据一个方向上的第一应变片6构成的电桥便可以获得该方向上的力矩，由两个方向的力矩便可以合成两维的力矩大小和方向，根据该力矩就可以反求出水平作用力的大小和方向，根据标定的水平作用力和流速间关系便可以获得水平流速的大小和方向。垂直流速较小时，其作用球壳2上的力非常小可以忽略不计，当垂直流速非常大时，水平测量弹性梁5的第一应变片6会感受到拉应力、压应力，但是全桥电路的布置方式也可以消除其对水平流速的测量影响。所以，水平流速测量可以不受垂直流速影响。

在三维水流中，除了较大的水平流，还存在较小的上升流，所以三维水流相对水平布置的圆盘7形成攻角，三维水流会对圆盘7不仅产生水平阻力，还会产生升力，一级杠杆10的长臂即前述的外伸臂相当长，所以通过一级杠杆10，升力便可以得到明显放大，再通过二级杠杆11、三级杠杆12的连续放大，则升力通过垂直力放大机构便可以产生三级力放大效应；最后作用力作用在垂直测量弹性梁17上，布置在垂直测量弹性梁17上、下的第二应变片8感便会受到拉应力、压应力；通过第二应变片构成的电桥便可以获得最后的作用力，通过标定的垂直力放大机构便能够得到升力的大小，升力和水平流速和上升流的大小都有关系，所以，可以结合水平流速测量的结果，根据标定的升力和上升流、水平流的关系，由升力获得上升流的大小。水平阻力对垂直力放大机构的一级杠杆10的支撑铰链13产生的力臂理论上可以设计为零，所以水平阻力可以忽略不计，因此，垂直流速测量可以不受水平流速影响。当左右两个垂直测量弹性梁17的末端固联，通过微动平台与圆台形壳体1内壁连接的情况下，在圆盘所受升力较大时，可以移动微动平台，使一级杠杆的调整到水平位置，提高测量精度。

重力和浮力的影响不可忽略，通过平衡配重可以调节每级杠杆的质量中心到各级杠杆自身对应的支撑铰链处，从而消除重力和浮力的影响。

圆筒形壳体1对上升流的测量有一定影响，因为圆筒形壳体1对流过其后的水流影响较大，对其前面的水流影响可以忽略；所以，可以用左侧布置的圆盘7测量从左向右的水流的上升流，用右侧布置的圆盘7测量从右向左的水流的上升流；从而，可以消除圆筒形壳体1对上升流测量的影响。

Claims

1.一种可测上升流的三维海流传感器，其特征是以圆筒形壳体（1）为总支撑，设置水平力测量单元和垂直力测量单元；

所述水平力测量单元包括球壳（2）、连接杆（3）、圆盘形中心台（4）以及四根水平测量弹性梁（5），所述球壳设于所述壳体（1）的上方，处于壳体轴线上的所述连接杆的上端与所述球壳固联，连接杆的下端伸入壳体的内腔与所述中心台的中心固联；所述四根水平测量弹性梁同处在一个垂直于壳体轴线的平面上并以壳体轴线为中心呈十字形排布；各水平测量弹性梁（5）的两端分别与中心台的外周及壳体的内壁固联，并在各水平测量弹性梁的上下面上设置有第一应变片（6）；

所述垂直力测量单元包括两个水平布置的圆盘（7）以及两个垂直力放大机构，各所述垂直力放大机构的主体设于所述壳体（1）内，各垂直力放大机构的外伸臂穿过所述壳体并与壳体壁之间具有间隙，所述两个圆盘分别固联在两个外伸臂前端并对称处于壳体的外部两侧；

在壳体内的垂直力放大机构主体上设有获得圆盘所受力的第二应变片（8）。

2.根据权利要求1所述的一种可测上升流的三维海流传感器，其特征在于，各所述垂直力放大机构包括呈倒山字形的支架（9）、水平设置的一个一级杠杆（10）、两个二级杠杆（11）、两个三级杠杆（12），所述倒山字形的支架具有中柱（91），对称处于所述中柱两侧的两个侧柱（92），两个侧柱与中柱之间通过两个横梁（93）固联；所述一级杠杆（10）的重心通过支撑铰链（13）与所述中柱的底端连接，所述两个二级杠杆（11）的重心各自通过支撑铰链与两个侧柱（92）的底端连接，所述两个三级杠杆（12）的重心各自通过支撑铰链与两个横梁（93）的底面连接；

紧靠所述中柱的两侧设有两根一级连杆（14），各一级连杆（14）的两端分别通过连接铰链（15）与二级杠杆的长臂和一级杠杆柔性连接；紧靠所述支架的两个侧柱（92）内侧设有两根二级连杆（16），各二级连杆（16）的两端分别通过连接铰链与三级杠杆的长臂和二级杠杆柔性连接；两根二级杠杆、两根三级杠杆、两根一级连杆、两根二级连杆均以所述中柱为轴呈轴对称分布；

两根三级杠杆的短臂与所述中柱固联或通过微动平台与所述中柱连接，并在三级杠杆的短臂上开孔使其构成垂直测量弹性梁（17），各所述垂直测量弹性梁上设有第二应变片（8）；

所述倒山字形支架（9）与所述壳体的内壁固联。

3.一种以权利要求1或2所述的三维海流传感器进行测量上升流和水平流的测量方法，其特征是按以下方式实现上升流和水平流的三维流速、流向测量：

在三维水流中，球壳（2）会受到水平流产生的两维水平作用力，该两维水平作用力通过连接杆（3）和中心台（4）对成十字形的水平测量弹性梁（5）产生两维力矩，布置在两个方向上的水平测量弹性梁（5）上下面的第一应变片（6）分别受到拉应力或压应力；根据一个方向上的第一应变片构成的电桥便可以获得该方向上的力矩，由两个方向的力矩便可以合成两维的力矩大小和方向，根据该力矩就可以反求出水平作用力的大小和方向，根据标定的水平作用力和流速间关系便可以获得水平流速的大小和方向；

在三维水流中，除了存在水平流，还存在上升流，所以三维水流相对水平布置的圆盘（7）形成攻角，三维水流会对圆盘（7）不仅产生水平阻力，还会产生升力，一级杠杆（10）的长臂即外伸臂相当长，所以通过一级杠杆（10），升力便可以得到明显放大，再通过二级杠杆（11）、三级杠杆（12）的连续放大，则升力通过垂直力放大机构便可以产生三级力放大效应；最后作用力作用在垂直测量弹性梁（17）上，布置在垂直测量弹性梁（17）上、下的第二应变片（8）便会受到拉应力、压应力；通过第二应变片构成的电桥便可以获得最后的作用力，通过标定的垂直力放大机构便能够得到升力的大小，升力和水平流速和上升流的大小都有关系，所以，可以结合水平流速测量的结果，根据标定的升力和上升流、水平流的关系，由升力获得上升流的大小。